SELECTING SEISMIC PARAMETERS FOR LARGE DAMS Guidelines

Bulletin 72, 2010 Revision

NOTICE - DISCLAIMER The information, analyses and conclusions referred to herein are the sole responsibility of the author(s) thereof. The information, analyses and conclusions in this document have no legal force and must not be considered as substituting for legally-enforceable official regulations. They are intended for the use of experienced professionals who are alone equipped to judge their pertinence and applicability and to apply accurately the recommendations to any particular case. This document has been drafted with the greatest care but, in view of the pace of change in science and technology, we cannot guarantee that it covers all aspects of the topics discussed. We decline all responsibility whatsoever for how the information herein is interpreted and used and will accept no liability for any loss or damage arising therefrom.

COMMITTEE ON SEISMIC ASPECTS OF DAM DESIGN (2010)

Chairman Switzerland M. WIELAND Members China H. CHEN, Vice-Chairman Japan N. MATSUMOTO, Vice-Chairman France M. LINO, Secretary Algeria K. BENSEGHIER Argentina J. CARMONA Australia I. LANDON-JONES Austria G. ZENZ Canada T. LITTLE Chile G. NOGUERA Costa Rica A. CLIMENT Egypt A.M. SHALABY Former Yugoslav Republic of Macedonia L. PETKOVSKI Germany C. KOENKE India M. GOPALAKRISHNAN Iran A. MAHDAVIAN Italy A. CASTOLDI Korea H.S. KIM Mexico M. ROMO Norway K. HOEG Pakistan G.M. MUHAMMAD ILYAS Portugal P.S. SECO E PINTO Russia V.I. BRONSHTEYN Serbia A. BOZOVIC Spain F. BLAZQUEZ PRIETO Thailand T. HARNPATTANAPANICH United Kingdom. J.L. HINKS USA J.L. EHASZ

TABLE OF CONTENTS COMMITTEE ON SEISMIC ASPECTS OF DAM DESIGN (2009) FOREWORD TO FIRST EDITION FOREWORD TO SECOND EDITION 1 INTRODUCTION 1.1 Purpose 1.2 Background 1.3 Scope 2 PRIMARY FACTORS TO CONSIDER IN SEISMIC HAZARD ASSESSMENT 2.1 Regional Tectonic and Geologic Setting 2.2 Seismic History 2.3 Local Geologic Setting 3 SELECTION OF EARTHQUAKES FOR ANALYSIS 3.1 General Approach 3.2 Terminology 3.3 Seismic Evaluation Requirements 3.4 Seismic Input Parameters 4 SELECTION OF SEISMIC EVALUATION PARAMETERS 5 FACTORS INFLUENCING THE SELECTION OF SEISMIC EVALUATION

PARAMETERS 5.1 General 5.2 Influence of Potential Consequences 5.3 Influence of Type of Dam 5.3.1 Concrete Dams 5.3.2 Embankment Dams 6 SELECTED REFERENCES 7 GLOSSARY APPENDIX 1 - List of primary factors to consider in seismic hazard assessment APPENDIX 2 - Determination of seismic evaluation parameters

FOREWORD TO FIRST EDITION OF 1989

The influence of seismicity on dams has been of constant interest to ICOLD throughout most of its activity. An ICOLD Committee was set up in 1969 to deal with the related problems and two Bulletins were released as a result:

A Review of Earthquake Resistant Design of Dams in 1975 (Bulletin no. 27, Committee chaired by M. Nose), and

Seismicity and Dam Design in 1983 (Bulletin no. 46, Committee chaired by R.G.T. Lane).

The assessment of seismicity at a dam site was the topic in the first chapter of Bulletin no.

46 which summarily treated the problem of seismic input for dam analyses.

As a result of the importance and significance that ICOLD assigns to the selection of seismic parameters for large dams, its Committee on Seismic Aspects of Dam Design has been charged to treat this subject. The objective is to reflect the state of the art in this field and to prepare Guidelines which should help the designers to orient themselves in the matter of selecting the seismic input parameters concerning large dams.

A Sub-Committee was organized to initiate the discussions and the Guidelines for Selecting Seismic Parameters for Dam Projects (published in October 1985) prepared by the United States Committee on Large Dams (USCOLD) served as basis for discussion at annual meetings of the Committee in 1986 and 1987. Comments and proposed amendments were contributed by several countries (Argentina, France, India, Japan, Norway, Pakistan and Yugoslavia).

The final draft was then edited by the Chairman of the Committee (taking into consideration

the mentioned contributions) and then discussed during the Committee’s annual meeting in 1988 and approved by the 56th Executive Meeting. Thanks are extended to all National Committees and Members of the Committee on Seismic Aspects of Dam Design which contributed to the preparation of the Guidelines being now published as an ICOLD Bulletin.

A. Bozovic Chairman,

Committee on Seismic Aspects of Dam Design

FOREWORD TO SECOND EDITION OF 2010

Since the publication of the First Edition of Bulletin 72 in 1989 there have been significant

improvements in the techniques available for the seismic analysis, design of new dams and the earthquake assessment of existing dams. For this reason it has been felt appropriate to produce an updated version of the Bulletin to reflect recent improvements in methodology.

Bulletin 72 has had a great impact on the earthquake analysis and design of dams as two

levels of earthquakes have been specified, i.e. the operating basis earthquake (OBE) and the safety evaluation earthquake (SEE). The term SEE has been introduced in the second editon and replaces the term maximum design earthquake (MDE) used in the first editon.

Dams and safety-critical elements such as bottom outlets, spillway gates and related

control units must be able to withstand the ground shaking of the SEE. Structural damage and deformations are accepted as long as the dam is able to store the water in the reservoir safely after the SEE and the water level in the reservoir can be controlled. This means that the performance criteria for bottom outlets and spillways are at least as stringent as for the dam body as they must be operable after the SEE.

The OBE can be considered as an economical criterion and is negotiable, whereas the SEE

is a non-negotiable safety criterion for the dam. By following this concept, dams can be designed to be safe under very strong earthquake

action. It is important to note that the earthquake hazard is a multiple hazard, which does not only include ground shaking but also other important site-specific features such as fault movements, rockfall hazard, liquefaction etc. All these hazards must be considered.

Reservoir-triggered seismicity (RTS) is a phenomenon which must be addressed in the

selection of the SEE. Therefore the SEE effects are more severe than those caused by RTS. A Sub-Committee to revise the Bulletin was set up at the 2004 Annual Meeting in Seoul

with representatives from the United Kingdom, China, Japan, France and Canada. Valuable assistance was also given from Pakistan and from the USA. Discussions were conducted by e-mail with further meetings in Tehran, Barcelona, St.Petersburg, Sofia and Brasilia.

The final draft was approved at the 78th Executive Meeting in Hanoi, Vietnam, in May 2010. I hope that this revised version of the Bulletin will contribute to the design of dams that can

safely withstand the effects of strong earthquakes.

M. Wieland Chairman

Committee on Seismic Aspects of Dam Design

1. INTRODUCTION

1.1 PURPOSE

The preparation of the first draft for these Guidelines was originally undertaken by the Committee on Earthquakes of the United States Committee on Large Dams (USCOLD) and then transacted through the Committee on Seismic Aspects of Dam Design (ICOLD). This led to the publication of the first Edition of the Bulletin in 1989. Since then there have been significant advances in the seismic design of dams and a revised Bulletin is considered necessary which takes into account current practice in a number of countries with the following ends in view:

(1) to provide a guide for the selection of parameters to be used in the seismic design, analysis and safety evaluation of new or existing dams and their appurtenant structures. (2) to promote consistency in handling the earthquake aspects of dam performance evaluation among owners, designers and various organizations involved in the planning, design, construction, operation, maintenance and regulation of dams.

The use of meaningful seismic parameters is necessary to perform a satisfactory evaluation of the earthquake safety of dams. These Guidelines are intended to help the Engineer and Project Manager to select seismic evaluation parameters for dam projects, based on requirements mandated by the project location and its associated seismic hazard, the design selected, and the risk posed by the completed structure. Appropriate seismic evaluation is not a substitute for, but will complement the use of sound design, high quality materials, effective construction control procedures, and continuous surveillance and monitoring of the performance of the completed structure.

It should be emphasized that, regardless of the seismic parameters and methods of

analysis selected, the final evaluation of the seismic safety of the dam usually depends to some degree on engineering judgement and previous experience with similar structures. Newly developed research methods and newly obtained research results should be evaluated and taken into consideration, keeping in mind that each completed structure and its immediate environment form a unique system that is not duplicated elsewhere.

Whilst it is not the purpose of these guidelines to examine mechanisms of failure it must,

nevertheless, be pointed out that where failure has occurred to embankment dams in the past it has often been because of liquefaction of the dam foundations or of the dam itself. Users of the guideline are encouraged to bear this in mind when considering the safety of their structure which may be seriously compromised if the dam is constructed on, or comprises, loosely compacted sands or other cohesionless soils.

The present revision to the Bulletin comes after several years of work by the Committee on

Seismic Aspects of Dam Design and has, in particular, addressed the following aspects:

(a) A new section on Seismic Input parameters (Section 3.4).

(b) Reference to liquefaction (see above).

(c) Introduction of Safety Evaluation Earthquake (SEE).

(d) Improved references to problems posed when constructing dams across active faults.

(e) Improved references to Reservoir-Triggered Earthquakes (RTE).

(f) Additional material on Peak Vertical Accelerations and Earthquake Durations (Section 3.4).

(g) Updated references to attenuation formulae (Appendix 2).

(h) Updated list of references.

1.2 BACKGROUND

Damage to dams and their appurtenant facilities may result from direct fault movement across the dam foundation or, more likely, from ground motion induced at the dam site by an earthquake located at some distance from the dam. These Guidelines are mainly concerned with the ground motion aspects of dam design although it is noted that a number of dams have been built across known active faults. As shown by the severe damage caused in September 1999 to the Shih-Kang weir in Taiwan, the siting of dams on active or seismogenic faults carries significant risks.

During the May 12, 2008 Richter magnitude 8 Wenchuan earthquake in China, 1803 dams and reservoirs and 403 hydropower plants with a total installed capacity of 3.3 GW suffered damages. Most of the damaged dams were small earth dams; however, four dams with a height exceeding 100 m were also damaged by ground shaking. In addition, numerous rockfalls and landslides in this mountainous region caused substantial damage to hydropower projects and blocked river channels. Although no dam failed, the Wenchuan earthquake has clearly shown that dams must be designed to withstand strong earthquakes and that earthquakes can present multiple hazards.

Ground motion is produced by the passage of a crustal disturbance such as a wave emanating from a region of the earth’s crust where fault movement has occurred. The estimation of potential future ground motion requires consideration of a rapidly expanding body of information and the interaction of several disciplines, such as geology, geophysics, seismology, geotechnical and structural engineering. Although knowledge is progressing at a fast pace, numerous uncertainties still exist. Presently, the complex nature of ground motion can only be approximated through relatively simple processes that separate generally recognized, but often insufficiently understood effects, such as the propagation of seismic energy away from the earthquake source, the nonlinear behaviour of rock units and soil deposits and the interaction between the dam, foundation and reservoir. Spatial variations of the ground motion along the base of the dam have generally been ignored, primarily because of the lack of appropriate data.

Historical occurrences of earthquake damage to dams have ranged from minor cracks or crest settlements to total failure and loss of the reservoir retention capacity, although, with the exception of the Shih-Kang weir, no concrete dam has experienced catastrophic failure as the result of an earthquake. In several instances, the affected dams were located at large distances from the source of energy release or the reservoir was at a low level at the time of the earthquake. Hence, the need for either implementing earthquake-resistant design, or fully documenting that a project site is aseismic, cannot be overemphasized.

Design based on earthquake-resistant principles is standard practice for most new dams,

but was not considered for many older dams. Investigations of regional earthquake sources and foundation conditions were often less extensive in the past than those required by modern dam engineering practice, and the use of construction procedures now obsolete often makes the seismic performance of older dams poorer and also potentially more difficult to assess. New dams should be shown to be safe before being placed in service, while existing dams shown to be unsafe should be upgraded or taken out of service.There should be no intrinsic difference in the methodology necessary to select earthquake parameters for the design of new structures or for the safety evaluation of older dams. Generally, consistent and sufficiently conservative guidelines, as proposed in the following pages, should be followed to compensate for the uncertainties and the lack of accuracy associated with estimating potential future earthquake ground motions. Furthermore, geologic and engineering experience and judgement have been, and will continue to be essential factors, in determining seismic evaluation parameters that are both conservative and realistic. Attention is drawn to the particular case of cascades of dams where the failure of an upper dam could put ones lower down the cascade at risk. It is also possible that the same earthquake could damage or cause the independent failure of multiple dams.

Dams, in particular concrete dams, are vulnerable to movements along faults and

discontinuities in the foundation. Such movements can be caused by seismogenic (active) faults in the dam foundation but also close to major faults large earthquakes can cause sympathetic movements along discontinuities. In this case, according to ICOLD Bulletin 112 on Neotectonics and Dams, a conservatively designed embankment dam would have to be selected. The dam should be checked for movements that could be caused by the upper bound magnitude earthquake estimated for that fault. However, the best approach is to avoid constructing new dams across potentially active faults.

1.3 SCOPE

This publication contains general guidelines for selecting seismic evaluation parameters to review the safety of existing large dams and provide an earthquake resistant design for any new structure. Such guidelines (which are only intended to apply to large dams according to the ICOLD definition - see below) cover the following subjects:

(1) Primary factors to consider in seismic design.

(2) Selection of design earthquakes for analysis.

(3) Selection of seismic evaluation parameters.

(4) Factors influencing the selection of seismic evaluation parameters. Note: A large dam according to the ICOLD definition is one more than 15 m high or one

between 10 and 15 m high satisfying one of the following criteria:

(a) more than 500 m long;

(b) reservoir capacity exceeding 1 Mm3 (1 x 106 m3); or

(c) spillway capacity exceeding 2,000 m3/s.

This publication is mainly concerned with the earthquake action affecting the dam body and safety-critical elements such as the bottom outlet, spillway gates, control units and power

supply. However, it has to be kept in mind that an earthquake will affect all elements of a dam including appurtenant structures, underground structures, equipment, temporary structures like cofferdams etc. Therefore, all these elements have to be able to withstand earthquakes as well. For these elements, lower levels of design earthquake motions may be used than for the dam body and the safety-critical elements. Also, in the case of equipment, the motion of the equipment’s support must be used as input. For elements located on the dam crest significant amplification of the support motion has to be expected, especially in the case of concrete (arch) dams.

2. PRIMARY FACTORS TO CONSIDER IN SEISMIC HAZARD ASSESSMENT

A seismic hazard assessment is typically required to develop the seismic parameters that

will be required for seismic design or performance assessment of dams. A seismic hazard assessment requires the following:

Identification of potential sources of earthquakes.

Evaluation of the characteristics of each potential earthquake source such as geological conditions, magnitudes and rates of activity.

Empirical equations to compute ground motion amplitudes or intensities (i.e. attenuation equations).

The seismic hazard assessment approach adopted for dam projects should consider the amount of information that is available about seismotectonic conditions in the vicinity of the dam site, and the degree of uncertainty of that information. The primary factors to be considered in the identification of potential sources of earthquakes and evaluation of their characteristics are the tectonic, geologic and seismic activity conditions at, and in the vicinity of, the dam site. The following discussion of such primary factors is intended to be relatively complete, but the order, format and detail in which they should be addressed should remain flexible and tailored to the local conditions, the size of the dam, the intended functions of the structure and the consequences of damage or total failure. Essentially, the selection of seismic parameters for the evaluation of the safety of a new or existing dam is a step-by-step process that should include, as a minimum, the requirements described in the following paragraphs. For reference and a quick overview of the problem, a list of primary factors to consider in seismic hazard assessment is given in Appendix 1.

2.1 REGIONAL TECTONIC AND GEOLOGIC SETTING

Typical tectonic, geologic and seismicity studies consider the regional aspects, and then focus on the local site conditions. Such an approach is necessary to understand the overall geologic setting and seismic history of a particular site. Some sites require consideration of a large regional study area, in order to encompass all geologic features of significance and to account for specific conditions, such as attenuation of earthquake ground motion as a function of distance from the zone of energy release.

The regional geologic study area should cover, as a minimum, a 100 km radius around the

site, but should in many cases be extended to as much as 300 km to include any major fault, or area-specific attenuation characteristics. The geological data reviewed should include:

(1) Identification of the physiographic and tectonic province where the project is located. (2) Geologic history of the project area.

(3) Description of geologic formations, rock types and soil deposits.

(4) Location of major regional geological structural features including folds, and fracture

or joint patterns. Imbrication of the major regional geological structures should also be considered as part of studying main features.

(5) Interpretation of the regional tectonic mechanism(s) and associated type(s)

of faulting. (6) Location and description of faults and shear zones and assessment of the capability

of faults to generate earthquakes, or to be displaced by earthquakes. This should include documentation on the existence of or the lack of historical or pre-historical activity (paleoseismicity) for each fault.

(7) Estimation of the fault activity for each of the faults of concern to the study area

(e.g. average slip rate, slip per event, time interval between large earthquakes, etc.). Depending on the geological setting, study of the following specific features might also be of

value in identifying and characterizing potential earthquake sources: (8) Study of movement of magma, lava and eruption activity. (9) Radioactivity and convection current studies. (10) Changes in gravitational field and Bouguer gravity anomaly surveys. (11) Aeromagnetic surveys. (12) Geothermal studies. (13) Topographic surveys – laser profiling. (14) Remote sensing surveys (synthetic aperture radar, LIDAR, airphotos, etc.). (15) Global positioning surveys (GPS). (16) In-situ stress measurements obtained in engineering investigations or from oil/gas

wells.

2.2 SEISMIC HISTORY

Compilation of historical earthquake data helps to identify the seismicity patterns of an area and, in regions where numerous earthquakes have occurred, provides a basis for estimating the probability of future earthquake motion at the site considered. This is based on the assumption that events similar to those which have occurred in the past could reoccur at or near the same location. The lack of historical earthquakes, however, does not necessarily imply that the area considered is aseismic.

When available, emphasis should be given to recorded earthquake data. Comprehensive

earthquake catalogues, maintained in different countries by a number of corresponding agencies, provide information on earthquake magnitudes, locations and details on other parameters, such as focal depth and fault mechanism. The listings in such catalogues should be carefully examined for accuracy, completeness and consistency of the data provided. On a world-wide basis sources of earthquake data also include international agencies.

To obtain data that have not been instrumentally recorded it is sometimes necessary to perform a thorough search of the technical literature, newspapers and journals, public and private sources of earthquake information and to catalogue such historical events within the fault study area that may have had an effect on the dam site. The search for seismic history data should, as a minimum, cover a 100 km radius area centred at the dam site, but in most cases it should cover the tectonic province in which the dam is situated as well as including the area of all significant faults, which may extend well beyond the 100 km radius.

When available, the following data should be presented for each event considered:

epicentre coordinates;

magnitude (or epicentral intensity)

date and time of occurrence;

focal depth;

focal mechanism;

felt area;

accompanying surface effects:

intensity of ground motion induced at the dam site (known, or estimated);

reliability;

source of data. For significant historical earthquakes that were not well recorded by seismic instruments,

intensity maps with isoseismal contours that link points of equal damage or felt earthquake effects remain one of the best ways to derive intensity attenuation functions in the absence of other data, despite the fact that the determination of isoseismals is highly subjective.

Seismic history and geologic considerations may be used to quantify the rate of seismic

activity (number of events per year) for the study area and, if possible, for each recognized active fault or tectonic province within this area. Preferably, seismic history data should be statistically processed to develop regional and, if possible, fault-specific magnitude-frequency relationships, for example by plotting on the logarithmic scale the number of events per unit

area per year equal to or larger than a specific magnitude against that magnitude value. A plot of earthquake epicentre locations in relation to the dam site is recommended to assess visually the locations of significant historical seismicity. Fault plane solutions from recorded earthquakes may indicate orientations of regional stress conditions and active faults and patterns of microseismic activity may indicate locations of active faults.

2.3 LOCAL GEOLOGIC SETTING

Site-specific geologic information is necessary to ascertain some of the characteristics of the ground motion expected at the dam site and to evaluate the potential for primary or sympathetic fault movement through the dam foundation. Any geologic condition at or near the site that might indicate recent fault movement or seismic activity should be thoroughly documented. Local geologic data are obtained through the review of literature, engineering reports applicable to nearby projects, site inspections, field exploration and material sampling and testing. They should include:

(I) Definition of type, extent, thickness, mode of deposition/formation, and stability characteristics of rock units and soil deposits.

(2) Location and chronology of local faulting, including amount and type of displacements

estimated from stratigraphic data, time of last rupture, rates of activity, strain rates, slip rates, etc., using appropriate measurement methods. In some cases the use of special paleoseismic investigative techniques, such as trenching or carbon dating, may be indicated.

(3) Interpretation of the structural geology including orientation and spacing of joint systems,

bedding planes, dip and strike of geologic units, folds and intrusive or extrusive bodies.

(4) Determination of hydrogeological conditions, including location of water table, underground water pressure and flow conditions, and permeability characteristics of the formations encountered.

(5) Evaluation of potential for seiches and reservoir slope failures.

(6) Determination of foundation and abutment conditions and their physical properties. (7) Inventory of strong-motion records from historical earthquakes that occurred near the

site or in areas with similar geologic or tectonic setting.

3. SELECTION OF EARTHQUAKES FOR ANALYSIS

3.1 GENERAL APPROACH

Earthquakes must be defined for analytical purposes so that appropriate seismic evaluation parameters (e.g., magnitude, acceleration, spectral ordinates, duration, etc.) can be selected.

The process can be accomplished by using either a deterministic procedure, or a probabilistic seismic hazard evaluation.

In a deterministic procedure for choosing seismic evaluation parameters, magnitude and

distance should be ascertained by identifying the critical active faults which show evidence of movements in Holocene time (i.e. in the last 11,000 years), large faults which show evidence of movements in Latest Pleistocene time (i.e. between 11,000 and 35,000 years ago) or major faults which show evidence of repeated movements in Quaternary time (1.8 million years). The capability of these faults must be ascertained through appropriate established methods such as a rupture length-magnitude relationship or a fault movement and magnitude relationship. The distances of these critical faults from the site should be determined to evaluate the other parameters. The appropriate parameters are then obtained by following the methodology summarized in Appendix 2.

A probabilistic seismic hazard evaluation quantifies numerically the contributions to seismic

motion, at the dam site, of all sources and magnitudes larger than a designated minimum (typically Richter magnitude 4 or 5) up to and including the maximum credible earthquake (MCE) on each source. The possible occurrence of each magnitude earthquake at any part of a source (including the closest location to the dam site) is directly incorporated in a probabilistic seismic hazard evaluation. Section 5 of Appendix 2 provides a summary of such an evaluation procedure.

3.2 TERMINOLOGY Terminology varies between countries which have produced guidelines for the seismic design and assessment of dams.

The level of ground motion experienced at a dam site due to an earthquake depends on

the geological and tectonic conditions in the region including the dam site and the earthquake source and consequently on released energy, source mechanism, length of transmission path (and related attenuation) and surface geology of the dam site.

In this Bulletin the Safety Evaluation Earthquake (SEE) is that level of shaking for which

damage can be accepted but for which there should be no uncontrolled release of water from the reservoir. The SEE replaces the terms Maximum Design Earthquake (MDE) used in the first edition of this bulletin and Design Basis Earthquake (DBE) used in ICOLD Bulletin 46 (Seismicity and Dam Design). In this Bulletin,the Operating Basis Earthquake (OBE) is that level of shaking for which there should be no or insignificant damage to the dam and appurtenant structures. • Maximum Credible Earthquake

A Maximum Credible Earthquake (MCE) is the largest reasonably conceivable earthquake

magnitude that is considered possible along a recognized fault or within a geographically defined tectonic province, under the presently known or presumed tectonic framework. The most severe ground motion affecting a dam site due to an MCE scenario is referred to as the MCE ground motion.

Evaluation of the MCE ground motion is generally done using a deterministic approach, in which the MCE scenarios for each identified fault and tectonic province are taken into account.

The return period of the MCE ground motion generally cannot be determined.

If no obvious earthquake scenarios exist (e.g. no active faults are identified), the ground motions at a dam site are generally estimated using a probabilistic approach, and the ground motions are typically linked to a long return period, for example 10,000 years. Such ground motions estimated using a probabilistic approach may be either lower or stronger than MCE ground motions evaluated using a deterministic approach, depending on factors such as the types of uncertainties incorporated in each approach.

With the foregoing background, the earthquake levels for which the dam should be designed and analysed should be as follows: • Safety Evaluation Earthquake

The Safety Evaluation Earthquake (SEE) is the maximum level of ground motion for which the dam should be designed or analyzed. For dams whose failure would present a great social hazard the SEE will normally be characterized by a level of motion equal to that expected at the dam site from the occurrence of a deterministically-evaluated maximum credible earthquake or of the probabilistically-evaluated earthquake ground motion with a very long return period, for example 10,000 years. Deterministically-evaluated earthquakes may be more appropriate in locations with relatively frequent earthquakes that occur on well-identified sources, for example near plate boundaries.

It will be required at least that there is no uncontrolled release of water when the dam is

subjected to the seismic load imposed by the SEE. Depending on the circumstances (e.g. the importance of the dam, the consequences of a dam failure) it is recommended to design safety-critical elements such as the bottom outlet and/or spillway gates for the SEE.

Where there is not a great risk to human life the SEE may be chosen to have a lower return

period depending on the consequences of dam failure. The above return periods are broadly in line with those being used for spillway design. • Operating Basis Earthquake

The Operating Basis Earthquake (OBE) represents the level of ground motion at the dam site for which only minor damage is acceptable. The dam, appurtenant structures and equipment should remain functional and damage should be easily repairable, from the occurrence of earthquake shaking not exceeding the OBE.

In theory the OBE can be determined from an economic risk analysis but this is not always

practical or feasible. In many cases, it will be appropriate to choose a minimum return period of 145 years (i.e. a 50 % probability of not being exceeded in 100 years). Since the consequences of exceeding the OBE are normally economic, it may be justified to use a more severe or less severe event for the OBE (i.e. longer or shorter recurrence period). • Reservoir-Triggered Earthquake

The Reservoir-Triggered Earthquake (RTE) represents the maximum level of ground motion capable of being triggered at the dam site by the filling, drawdown, or the presence of the reservoir. There are a limited number of documented cases of reservoir triggered

earthquakesand detailed study of such cases is recommended.General environmental features leading to RTE are detailed in the succeeding paragraphs. The reader is also referred to the ICOLD Bulletin 137 on Reservoirs and Seismicity, which provides the state-of-knowledge on reservoir-triggered seismicity.

The consideration of the RTE has been reported as generally linked to dams higher than

about 100 m or to large reservoirs (capacity greater than about 500 Mm3) and to new dams of smaller size located in tectonically sensitive areas. While there exist differences of technical opinion regarding the conditions which cause reservoir-triggered seismicity, it should be considered as a credible event if the proposed reservoir contains active faults within its hydraulic regime and if the regional and local geology and seismic record within that area are judged to indicate potential for reservoir-triggered seismicity. Even if all the faults within a reservoir are considered tectonically inactive, the possibility of reservoir-triggered seismicity should not be totally ruled out, if the local and regional geology and seismicity suggest that the area could be subject to reservoir-triggered seismicity.

Depending on the dam location and prevailing seismotectonic conditions, the RTE may represent ground motion less than, equal to, or greater than the OBE ground motion. RTE ground motion should in no case be greater than the Safety Evaluation Earthquake ground motion and the faults considered capable of triggering seismicity should be taken into consideration during the seismic hazard evaluation. Still the result might be the premature triggering of seismic events due to the the impounding of the reservoir that would have occurred naturally at some longer time in the future. It is therefore justified in case of larger dams and storages located in seismically active regions and regions with high tectonic stresses to install a microseismic network and to monitor the seismicity prior to, during and after impounding.

It is worth noting that there are so far only six generally accepted cases of reservoir triggered seismicity where the magnitude of the event exceeded 5.7. The largest recorded magnitude event that is believed to be due to a reservoir-triggered event is 6.3. • Construction Earthquake

For critical construction phases and temporary structures such as cofferdams, retaining structures etc. it is also necessary to check the earthquake safety. The return period of such earthquakes depends on the type of structure, the duration of its use or the duration and seismic vulnerability of the structure during critical construction stages and the consequences of its failure.

• Design Earthquake for Appurtenant Structures

As a minimum, appurtenant structures (penstocks, powerhouses, intake structures, rock

caverns etc.) should be designed in accordance with the applicable seismic code for buildings or other structures. Consequently, the site-specific design earthquake ground motion should have a return period equal to that specified in the seismic building codes, which is typically 475 years. For structures which are critical for dam safety, such as bottom outlet, spillway gates, control units and power supply, the design must be based on the safety evaluation earthquake (SEE).

3.3 SEISMIC EVALUATION REQUIREMENTS

The basic seismic loads for the design of new dams or for the safety evaluation of existing structures are derived from the SEE and OBE. Depending on the applicable conditions, a dam may be evaluated for one or both of these basic seismic loads.

The primary requirement for the earthquake-resistant design of dams is to protect public

safety, life and property. Hence, large dams must be capable of resisting severe earthquake motion or fault movement at the dam site without uncontrolled release of the water impounded in the reservoir. It is also important that the spillway and bottom outlet should be operational after the earthquake. In the case of the SEE, damage to the dam, even extensive, may be acceptable as long as no catastrophic flooding occurs.

In addition to the foregoing primary requirement, several factors govern the level of effort required for a seismic safety evaluation:

(1) the seismic hazard of the dam site; (2) the type of dam; (3) the functional requirements; (4) the consequence rating of the completed dam and reservoir (see Section 5.2); (5) the consequences of underestimating or overestimating the risk. . The decision of analyzing the dam for SEE and OBE conditions should be jointly made by

the dam owner, its consultants and involved regulatory or review agencies

3.4 SEISMIC INPUT PARAMETERS FOR ANALYSIS The typical seismic input parameters for analysis of dams include acceleration time histories, spectral accelerations, or peak ground acceleration developed by either a deterministic or a probabilistic approach, as follows:

(a) For extreme or high consequence dams the SEE ground motion parameters should be estimated at the 84th percentile level if developed by a deterministic approach, and need not have a mean annual exceedance probability (AEP) smaller than 1/10,000 if developed by a probabilistic approach.

(b) For moderate consequence dams the SEE ground motion parameters should be estimated at the 50th to 84th percentile level if developed by a deterministic approach, and need not have a mean AEP smaller than 1/3,000 if developed by a probabilistic approach.

(c) For low consequence dams the SEE ground motion parameters should be estimated at the 50th percentile level if developed by a deterministic approach andneed not have a mean AEP smaller than 1/1,000 if developed by a probabilistic approach.

(d) The ground motions for the OBE will usually have a mean AEP of about 1/145.

The duration of strong shaking is linked to the magnitude of the event and is of considerable importance in assessing the behaviour of dams. This is particularly the case for embankment dams although the duration of shaking can also be a significant factor for concrete dams subject to nonlinear behaviour. Empirical relationships between magnitude and duration of earthquakes can be used to estimate the duration characteristic of the design earthquake. This bulletin also recommends that peak vertical accelerations be generally assumed equal to 2/3 of the peak horizontal accelerations but that, in estimating peak vertical accelerations at sites close to the assumed epicenter, account be taken of the type of fault movement anticipated (i.e. normal, reverse or strike-slip). Some modern attenuation relationships provide direct estimates of both horizontal and vertical ground motions.

4. SELECTION OF SEISMIC EVALUATION PARAMETERS

The seismic parameters used for dam performance evaluation represent one or several ground motion-related characteristics, such as acceleration, velocity, or displacement values, response spectra, or acceleration time histories that will characterize the SEE and OBE. They may be developed deterministically, or based on a probabilistic seismic hazard evaluation. Various combinations of these parameters are often used. For example, several acceleration time histories may be slected to represent the SEE (as there is no unique way of specifying a given level of earthquake motion).

The seismic evaluation parameters representing the SEE and the OBE often serve as input data for the numerical analyses of a dam. The results of such numerical analyses are used to evaluate the dam performance and safety, given the postulated level of motion.

Many of the factors that affect ground motion and the seismic evaluation parameters are not yet fully understood. Ground motion at any given site is influenced by source, transmission path and local conditions.

‘Source’ effects include fault type, rupture dimensions, mechanism and direction, focal depth, stress drop and amount of energy released.

‘Transmission path’ effects relate to the geometric spreading and absorption of earthquake

energy as the seismic waves travel away from the source. They include phenomena such as those due to rock type, regional geological structures including faults and folding, crustal inhomogeneities, deep alluvium, and directivity effects (direction of wave travel vs. direction of fault rupture propagation).

“Local” effects result from the topographic and geologic conditions present at the site and from the possible interaction between structures and the surrounding media. It can also be influenced by whether the site is situated in an inter-plate or intra-plate region.

The factors generally considered the most significant to the specification of seismic

evaluation parameters are:

site classification (alluvium or rock);

physical properties and thickness of foundation materials;

closeness to the causative fault (near-field effects);

distance from the zone of energy release;

magnitude of the design event.

type of faulting (normal, reverse or strike-slip). Other factors, such as direction of fault rupture propagation (directivity effects) and

topography, are often significant and are being included in the seismic studies of dams in areas where many earthquakes have been recorded and analysed.

Preferably, the seismic evaluation parameters should be based on site-dependent considerations, making use of existing knowledge and actual observations that pertain to earthquake records obtained on sites with similar characteristics.

However, when applicable site data are too scarce to be meaningful, a site-independent

characterization of ground motion must be used.

Ideally, all factors affecting ground motions should be considered, but generally it is not practical to directly include all of them in the estimation of seismic parameters. For example, ground motion attenuation relations typically consider only one or two source factors –(e.g. magnitude and fault type), and a single transmission path parameter (distance). “Local” effects are often disregarded or limited to the simple distinction between rock and alluvial sites and the possible consideration of near-field effects. Other effects are not specifically included but are accounted for in the uncertainty terms defined for these attenuation relations.

The formats used to characterize the seismic evaluation parameters are described in Appendix 2.

5. FACTORS INFLUENCING THE SELECTION OF SEISMIC EVALUATION PARAMETERS

5.1 GENERAL

The design objectives and the possible modes of failure of a dam control its analysis requirements to a large extent and, therefore, the way in which seismic evaluation parameters are selected and specified. Various methods of analysis call for different ways of specifying a given level of earthquake motion. It is, therefore, essential that effective communications be established at an early stage of the work between the geologists, geophysicists and engineers responsible for specifying the earthquake loads and those who will analyze the dam. Factors that affect the specification of seismic parameters are the following

(1) the consequence rating of the completed structure; and

(2) the type of dam and its possible mode(s) of failure. Judgment and professional experience are required to determine the most appropriate

methodology for evaluation of the dam and for specifying the seismic parameters, based on the above factors.

It is not the purpose of these Guidelines to discuss the methodologies of analysis which are

available and/or how they should be implemented. The following sections, however, briefly describe how the above factors affect the selection of appropriate seismic evaluation parameters, based on the applied methodology.

5.2 INFLUENCE OF POTENTIAL CONSEQUENCES

The potential consequences of failure, associated with dams, consist of structural components and socio-economic components. The consequences of a dam failure depend on the one hand on storage capacity and on the height of the dam and on the other hand on the population, infrastructure and properties in the downstream inundation area.

Socio-economic consequences can be expressed by the number of persons who would

need to be evacuated in case of danger and by potential downstream damage. It is possible to rate the potential consequences by weighting the mentioned components,

associating a larger weighting factor to dams with larger storages, posing larger evacuation requirements and entailing larger potential downstream damage. In this way a consequence rating can be formulated and subdivided into different classes, ranging from low to extreme.

The above mentioned weighting of consequence components, and especially the socio-

economic consequence components, are assessments based on judgement and reflect the impact of the socio-economic environment. Different countries will therefore find it necessary to adapt the socio-economic consequence contribution to suit the prevailing circumstances. The foregoing considerations can be used as general guidance in this respect.

It should be noted that, in the case of existing dams, any new or planned downstream

development, may affect the consequences associated with a particular structure.

The consequence classification of the dam is needed to further guide the selection of seismic evaluation parameters, as dams with extreme or high consequence ratings will normally require a sophisticated level of evaluation.

Typically, dams with extreme or high consequence ratings will require a detailed method

of analysis and the use of acceleration time histories, especially if such dams are also associated with a high site hazard rating. Simpler methods of evaluation, using response spectra or peak ground motion parameters, may be acceptable for dams with low consequence ratings.

It should be understood that the approach discussed in this section (classifying dams according to site hazards, dam size and global downstream consequences) is a possible but not exhaustive treatment of the consequence problem, which should be used with engineering judgement.

5.3 INFLUENCE OF TYPE OF DAM

The type of dam and the possible mode(s) of failure must be considered along with the site hazard and the structure consequence rating to finalize the selection of seismic evaluation parameters. Professional judgement is required to determine how these factors should respectively affect the specification of seismic evaluation parameters.

It is not the purpose of the Guidelines to discuss the most appropriate methods of analyzing

a dam, the combination of earthquake with other loads or the applicable performance evaluation criteria.

However, the influence of the type of analysis contemplated, the dam type and possible failure mode(s) upon the selection of seismic evaluation parameters are briefly reviewed below, as they strongly influence the way in which such parameters should be defined.

The most complete way to specify earthquake loading is by using three, mutually

perpendicular components of ground motion i.e. two horizontal and one vertical. Depending on the analysis required, the use of all three components may not always be necessary.

5.3.1 Concrete Dams

Safety concerns for concrete dams subjected to earthquakes involve evaluation of the overall stability of the structure, such as verifying its ability to resist induced lateral forces and moments and preventing excessive cracking (overstressing) of the concrete. Various types of analyses can be performed, ranging from a simplified analysis in the case of some gravity dams to more elaborate procedures, such as analysis by the finite element method, which can be applied to any type of concrete dam.

Peak ground motion parameters and response spectra will be sufficient to define the seismic evaluation parameters, if simplified evaluation procedures are contemplated.

Dynamic finite element response analyses may be performed using either response spectra

or acceleration time histories, and will normally be required for most dams in extreme or high consequence or hazard classes. Since the induced stresses are a primary factor in assessing the performance of the dam, and since linear elastic behavior is normally assumed, appropriate response spectra or acceleration time histories can be used to specify the Design Earthquakes for peak stress evaluation purposes. However, if nonlinear analysis is contemplated, or if the number of concrete stress cycles or the extent of significant stressing is important to the evaluation of the dam performance, acceleration time histories should be used exclusively. Because concrete dams generally respond at relatively high frequencies, it is important that the acceleration time histories be digitized at a sufficiently short time-step, typically ranging from 0.005 to 0.02 second. The proper selection of the digitization time-step should be verified before an analysis is undertaken.

For straight concrete gravity dams, two components of motion, one horizontal and one vertical, and two-dimensional analysis are generally sufficient. However, concrete gravity dams in relatively narrow canyons should be analyzed three-dimensionally using two components of

horizontal motion and a vertical component, if detailed analyses are warranted. For concrete arch dams, and most curved concrete gravity dams, two stochastically independent horizontal and one vertical component of motion must be provided in order to perform a three-dimensional analysis. Special care is needed in the analysis of particularly long dams where, for example, buttresses can vibrate out of phase. In the case of concrete dams it will usually be necessary to consider vertical accelerations, amplification effects and also the effects of dam-reservoir interaction which can have a significant effect on the seismically induced stresses in the structure. Damping for concrete dams is usually in the range of 3 to 10 % and is often taken as 5 %.

5.3.2 Embankment Dams

Safety concerns for embankment dams subjected to earthquakes involve either the loss of stability due to a loss of strength of the embankment or foundation materials (e.g., liquefaction due to pore pressure build-up), or excessive permanent deformations (slumping, settlement, cracking of the embankment, and planar or rotational slope failures). Analyses can be performed using the Newmark method or detailed linear or nonlinear dynamic finite element and finite difference procedures. It should be noted that the Newmark method and most numerical analyses only consider shear deformations and do not account for deformations and crest settlements caused by volume changes during earthquake shaking (e.g. compaction of sand, gravel and rockfill). Simplified procedures should always be attempted before using more detailed and complex methods to obtain early information on the effects of the seismic parameters chosen although it should be noted that pseudostatic analyses cannot be relied upon to give a realistic evaluation. Nevertheless, if the embankment materials are not susceptible to loss of stiffness and strength and the hazard and consequence ratings are low, simplified procedures and the derivation of seismic load factors from specified peak ground motion parameters may give a useful first indication of stability.

For estimating the performance of embankment dams in extreme or high hazard or

consequence classes, detailed procedures (such as finite element or finite difference analyses) are often performed, and acceleration time histories are required as seismic evaluation parameters. Embankment dams have fundamental periods of vibration that typically range between 0.5 and 1.5 s and, for use in finite element analyses, a digitization interval longer than that recommended for concrete dams may be sufficient; time-steps up to 0.05 s have been shown to be quite acceptable in some cases. However, if an explicit formulation of the equations of motion is used, such as for nonlinear finite difference analyses, an extremely short digitization time-step is required (typically 0.001 s, or less).

If the foundation and embankment materials are not susceptible to loss of stiffness and strength, or if the embankment is not saturated, the dynamic analysis of the dam will serve as a basis to estimate permanent earthquake-induced displacements using the methods of Newmark or others. If the foundation or embankment materials can lose stiffness and strength, a dynamic analysis of the dam should be used for estimating the number and amplitude of induced stress cycles to determine whether the earthquake-induced stresses are sufficient to trigger a loss of strength. Emphasis will be given to the stress response of the dam. For the detailed analysis of an embankment dam, the seismic evaluation parameters cannot be directly specified as a response spectrum, as the development of either increased pore pressures or excessive

deformations is largely controlled by the duration of shaking. A specified spectral shape, however, can be used as a guide for evaluating the appropriateness of the selected acceleration time histories.

It is usually considered that the dynamic response of embankment dams does not require consideration of the vertical component of ground motion or of the hydrodynamic effects of the reservoir water. However these factors may need to be considered for embankment dams with particularly steep slopes, such as rockfill dams. Damping for embankment dams is usually in the range of 5 to 20 %. For strong shaking it is likely to exceed 15%.

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7. GLOSSARY The following definitions are given to help achieving a uniform understanding of the terms used in these guidelines. For those words or phrases appearing in the ICOLD Glossary (Bulletin 32a)

and marked by (*), the definitions are those given in this Glossary. Active fault: A fault, reasonably identified and located, known to have produced historical

earthquakes or showing evidence of movements in Holocene time (i.e. in the last 11,000 years), large faults which have moved in Latest Pleistocene time (i.e. between 11,000 and 35,000 years ago) and major faults which have moved repeatedly in Quaternary time (1.8 million years).

Attenuation: Decrease in amplitude and change in frequency content of the seismic waves with

distance because of geometric spreading, energy absorption and scattering. Bedrock: Any sedimentary, igneous, or metamorphic material represented as a unit in geology;

being a sound and solid mass, layer, or ledge of mineral matter; and with shear wave threshold velocities greater than 750 m/s. Bedrock can be exposed at the ground surface or underlie soil layers.

Consequence Rating or Class: In this bulletin consequence rating is a measure of the

consequences i.e. the anticipated impact downstream of a failure of a dam and would range from Low to Extreme.

Critical damping: The least amount of damping which will prevent free oscillatory vibration, in a

one degree-of-freedom system. Damping: Resistance which reduces or opposes vibrations by energy absorption. There are

different types of damping, such as material (viscous, Coulomb), and geometric (radiation) damping.

Damping ratio: The ratio of the actual damping to the critical damping. DBE: Design Basis Earthquake Epicentre (*): The point on the earth’s surface directly above the focus (hypocentre) of an

earthquake. Fault: A fracture or fracture zone in the earth’s crust along which there has been displacement

of the two sides relative to one another, parallel to the fracture. Focal depth: The vertical distance between the epicentre and the hypocentre. Focus: See hypocentre. Free-field: The regions of the ground surface which are not influenced by man-made structures.

Also designates a medium which contains no structure (free-field profile), or a region where boundary effects do not influence the behavior of the medium significantly.

Frequency: Number of Hertz of harmonic oscillation Hazard Class: In this bulletin Hazard Class denotes the likelihood and severity of experiencing an earthquake at the site of the dam. Hypocentre (or Focus) (*): The point within the Earth which is the centre of an earthquake and

the origin of its elastic waves. Intensity: A numerical index describing the effects of an earthquake on man-made structures,

or other features of the earth’s surface. The assignment of intensity values is subjective and is influenced by the quality of construction, the ground surface condition and the individual perception of the observer. Different intensity scales are used in various countries, such as for instance the Modified Mercalli Intensity scale which is the most widely used in the United States.

Magnitude (*): A rating of a given earthquake independant of the place of observation. It is

calculated from measurements on seismographs and it is properly expressed in ordinary numbers and decimals based on a logarithmic scale.

MCE: Maximum Credible Earthquake. Near-field motion: Ground motion recorded in the vicinity of a fault. For instance, in the United

States west of the Rocky Mountains, near-field may be defined based on the following Table

Richter Magnitude M

Modified Mercalli Maximum Intensity I,

Radius of Near-Field (km)

5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5

VI VII VIII IX X XI

5 15 25 35 40 45

These limits of near-field motions are measured from the epicentre location in the absence of visible fault rupture, or perpendicularly to the trace of the causative fault. In some regions there are no established limits of near-field motions as for example in the Eastern United States. The limits may need to be adjusted in the case of thrust and reverse faults.

OBE: Operating Basis Earthquake. PGA: Peak Ground Acceleration. Phase: The angle of lag or lead of a sine wave with respect to a reference. The phase response

is the graph of phase shift versus frequency. Response spectrum: A plot of the maximum values of absolute acceleration, relative velocity,

and/or relative displacement response of an infinite series of single-degree-of-freedom systems subject to a time dependent dynamic excitation, such as but not limited to ground motion. The maximum response values are expressed as a function of undamped natural period for a given damping ratio.

RTE: Reservoir-Triggered Earthquake.

Safety-critical elements: Elements associated with a dam that if damaged could have a significant impact on the ability of the dam to be able to lower or control the reservoir imponded by the dam. Examples would include; bottom outlets, spillway gates and support piers, power supply, control panels for gate operation etc. SEE: Safety Evaluation Earthquake Stress drop: Initial shear stress acting along a fault plane minus the residual shear stress along

the same fault plane after occurrence of slippage. Strike-slip fault: A fault in which movement is principally horizontal. Strong motion: Ground motion of sufficient amplitude to be of engineering significance in the

evaluation of damage due to earthquakes. Tectonic province: A geologic area characterized by similarity of geologic structure and earthquake characteristics.

APPENDIX I

LIST OF PRIMARY FACTORS TO CONSIDER IN SEISMIC HAZARD ASSESSMENT

1. REGIONAL FACTORS 1.1. Regional geologic setting

geologic history of the project area;

identification of the regional physiographic features;

description of geological formations (rock types...);

location of major regional geological structural features (folds, fractures, faults...);

estimation of the relative degrees of fault activity (rate of displacement...) and deformation activity (rate of subsidence...) of the study area.

1.2. Seismic history

catalogues:

epicentre coordinates;

epicentral intensity;

surface effects, e.g. isoseismal contours (map);

focal depth;

felt area;

intensity induced at the dam site (known or estimated);

quantification of the rate of seismic activity (if possible or obvious). 1.3. Seismology

microseismic activity;

focal depths;

focal mechanisms;

strong motion records (if available). 1.4. Seismotectonic interpretation

estimation of the regional stresses at different geological periods (from stylolites etc.);

in situ stress measurements within the region of the site (if available)

interpretation of the regional tectonic mechanisms and associated types of faulting;

location and description of faults (and shear zones) able to generate earthquakes (or to be displaced by earthquakes);

definition of seismotectonic provinces, seismotectonic map. 2. LOCAL FACTORS 2.1. Local geology

stratigraphy and petrography of the bedrock;

local tectonics and microtectonics (faults, joints...);

superficial deposits (alluvium, river terraces, moraines, soils...);

hypsometric map of superficial deposits (to be used for site effects);

bedrock contour map. 2.2. Hydrogeology

Periodic changes in static water level, permeability studies, chemical composition of water. 2.3. Geophysical studies

Radon gas monitoring studies, convection currents, geothermal studies and gravity measurements.

2.4. Geotechnical data

bedrock;

superficial deposits. 2.5. Exploitation of natural resources in the vicinity of the project area

ground water;

oil and gas;

mineral deposits.

APPENDIX 2

DETERMINATION OF SEISMIC EVALUATION PARAMETERS

1. PEAK GROUND MOTION PARAMETERS

Ground motion can be characterized by peak or effective values of expected acceleration, velocity, and/or displacement. Empirical relationships derived from available earthquake data, termed attenuation equations, relate peak ground motion parameters to distance from the source of energy release and to magnitude. Such equations are, however, very sensitive to the estimates of distance and magnitude, especially in the near-field. The scatter between observed and predicted values is usually fairly significant, as many factors, including but not limited to local site characteristics and the conditions of placement of the recording instruments, affect actual strong motion measurements.

The concept of Effective Peak Acceleration (EPA) is discussed by Chen (Ref. 19). However

the simpler concept of Peak Ground Acceleration (PGA), despite recognized shortcomings, such as its lack of predictability in the near-field, or its common occurrence at high frequencies of little engineering significance, remains the most used element to characterize seismic evaluation parameters for dam analysis. Many attenuation equations have been developed in recent years to provide estimates of this variable. These formulae have generally been developed for specific regions and, within those regions, the most reliable available relationships should be used. Formulae should only be used that are appropriate for the particular setting e.g. intra-plate or inter-plate region. Such reliable relationships are not always available and, in such cases, consideration should be given to using a weighted average of values provided by several of the most accepted and reliable equations for this variable. Today, the following references are often used:

Abrahamson, N. A., and Silva, W. J. (2008). Summary of the Abrahamson & Silva NGA groundmotion relations, Earthquake Spectra 24, 67–97.

Ambraseys N.N., Douglas J., Sarma S.K., Smit P.M. (2004/2005). "Equations for the Estimation of Strong Ground Motions from Shallow Crustal Earthquakes Using Data from Europe and the Middle East: Horizontal Peak Ground Acceleration and Spectral Acceleration", Bulletin of Earthquake Engineering 3:1–53.

Boore, D. M., and Atkinson, G. M. (2008). Ground-motion prediction equations for the average horizontal component of PGA, PGV, and 5%-damped PSA at spectral periods between 0.01 s and 10.0 s, Earthquake Spectra 24, 99–138.

Campbell, K. W., and Bozorgnia, Y. (2008). NGA ground motion model for the geometric mean horizontal component of PGA, PGV, PGD and 5% damped linear elastic response spectra for periods ranging from 0.01 to 10 s, Earthquake Spectra 24, 139–171.

Chiou, B. S. J., and Youngs, R. R. (2008). Chiou-Youngs NGA ground motion relations for the geometric mean horizontal component of peak and spectral ground motion parameters, Earthquake Spectra 24, 173–215.

Idriss, I. M. (2008). An NGA empirical model for estimating the horizontal spectral values generated by shallow crustal earthquakes, Earthquake Spectra 24, 217–242.

Stafford, P. J., Strasser, F. O., and Bommer, J. J. (2008). An evaluation of the applicability of the NGA models to ground-motion prediction in the Euro-Mediterranean region, Bulletin of Earthquake Engineering 6, 144–177.

It is generally desirable first to define the PGA as that occurring on “outcropping” bedrock

(as all of the foregoing references provide attenuation equations applicable to bedrock, or firm soil sites). The value is then adjusted, as required, to account for specific site conditions, such as topography, or “deep alluvium”, where free-field accelerations generally contain more energy in the long period range than those on a rock site. Soft sediments amplify the low frequency seismic waves of large earthquakes, but will reduce the ground motion of smaller local events by the absorption of high frequency seismic waves. If surface sediments are located at a dam site, the spectra given should be multiplied by a frequency-dependent transfer function fitting to the sediment depth. Chiou and Youngs [21] ground motion model considers the shear wave velocity to a depth of 30 metres and is applicable for velocities ranging from 150 m/s to 1,500 m/s and greater.

The error term associated with attenuation equations, and the statistical significance of the predicted values (absolute maximum, effective, mean, median, or mean plus one standard deviation) should be carefully reviewed and understood prior to using such values for analytical purposes.

So far, few attenuation relationships have been developed for peak velocity, which actually may be a better indicator of ground shaking intensity than the PGA especially in the near-field, for peak displacement, or for the vertical component of ground motion. Vertical motion can be quite significant in the near-field and detailed evaluation of such motion is recommended for all near-field sites. For locations outside the near-field, this Bulletin recommends that the vertical PGA may be generally assumed equal to two-thirds of the horizontal PGA. 2. DURATION

The duration of shaking is one of the most important seismic evaluation parameters for dams, as it has been shown to be directly related to damage, especially in the case of embankments.

The durations of earthquakes can be estimated in different ways. Of significance to

engineers are the bracketed duration, measured between the first and the last occurrence of acceleration pulses greater than 0.05 g, at frequencies above 2 Hz [11]. Chang and Krinitzsky [18] reviewed several empirical relationships between magnitude and duration and developed curves, relating bracketed duration, magnitude, and epicentral distance, that differentiate between soil and rock conditions. Local conditions may also affect the expected duration of earthquake shaking and should be considered on a case by case basis. 3. RESPONSE SPECTRA

Response spectra represent the maximum response (in acceleration, velocity, or

displacement) as a function of frequency, for a given damping ratio, of a single-degree-of-freedom system subjected to a time-dependent excitation. Response spectra characterizing the SEE and OBE may be determined from peak ground acceleration, velocity and displacement consideration [44], or by using site-dependent or site-independent generalized spectral shapes.

Spectral shapes are generally provided in normalized format (i.e., scaled to 1 g). In order to define earthquake motion they are scaled uniformly and, in most cases, independently from the period considered, to a specified value of peak ground acceleration, peak ground velocity, or another applicable earthquake parameter (e.g., spectral intensity).

If shallow earthquakes are expected, the spectra should be shifted towards higher frequencies.

An alternative to spectral shapes is to directly develop response spectra using appropriate ground motion attenuation relations. Most modern attenuation relations, such as those listed above, include formulae to predict peak spectral accelerations over a range of frequencies.

The level of damping and the number of damping values for which response spectra should

be specified to represent the SEE and OBE should encompass a range of values applicable to the type of dam and level of ground motion considered. For example, damping values for the analysis of concrete dams typically range from 3 to 10 percent, depending on whether the response is assumed to be predominantly elastic or whether nonlinearities, such as cracking of the concrete, are indirectly included in the analysis by assuming a higher level of damping. The damping values for large arch dams are generally smaller than those of the more massive gravity dams due to radiation damping effects. Damping values for the analysis of embankment dams range from 5 to 20 percent but for strong shaking are in a range higher than 15 percent.

For the purposes of characterizing ground motion and comparing various earthquakes, 5 percent damping is the most commonly used value, principally because generalized spectral shapes for that damping value are the most available.

4. ACCELERATION TIME HISTORIES

The definition of seismic parameters by peak values and spectral characteristics is sufficient for many dam applications. For the evaluation of major dams and dams in areas of high seismicity nonlinear analysis techniques are required. For this purpose acceleration time history records are needed. It is recommended that several acceleration time histories be used to represent the SEE or the OBE as certain time histories have a lower energy content at some frequencies and their use may result in an unconservative analysis. Acceleration time histories may be specified for horizontal and/or vertical motion and should preferably be represented by real accelerograms obtained for site conditions similar to those present at the dam site under consideration [14].

Since the strong ground motion data currently available do not cover the whole range of possible conditions, such records must often be supplemented by synthetic motions representing any earthquake size and seismotectonic environment. There exist several techniques for the generation of synthetic accelerograms.

But it should be emphasized that collecting actual earthquake records and establishing observation systems for recording strong ground motions and accumulating these records is the

surest way of obtaining basic data for clarification of the properties of earthquake motions acting on dams. 5. PROBABILISTIC SEISMIC HAZARD EVALUATION

A probabilistic seismic hazard evaluation involves obtaining, through mathematical and statistical processes, the relationship between a ground motion parameter and its probability of exceedance at the dam site during a specified interval of time (such as the operating life of the reservoir). The value of the ground motion parameter to be used for the seismic safety evaluation of the dam is then selected after defining an acceptable level of probability for the structure and site considered. Recognized active, or potentially active, faults and seismic provinces are referred to as seismic sources. A seismic province is considered to be an area where the location of active faults is not well known, but where the seismic activity may be reasonably assumed to be randomly distributed. The spatial relationship between the dam site and the seismic source(s) of concern to the site, and the rates of activity assigned to each seismic source, form the basic elements of the seismic hazard model of the site considered. Such model should be consistent with the geologic and tectonic setting of the area under investigation and with the historical and geologic rates of seismic activity that have been established for the faults included.

The evaluation of the seismic hazard at a site due to a single source involves the following probability functions:

(1) The probability that an earthquake of a particular magnitude will occur on this source during a specified time interval.

(2) The probability that the rupture associated with this source and a certain magnitude event occurs at a specified distance from the site.

(3) The probability that the ground motions from an earthquake of a certain magnitude occurring at a certain distance will exceed a specified level at the site.

By combining the three probability functions for each source and adding up the

contributions of all sources, the probability of exceeding a specified level of ground motion at the site is computed for the specified time interval.

The advantages of using a probabilistic seismic hazard evaluation, over a deterministic approach, include the following:

(a) contributions from earthquakes ranging in magnitude from the smallest magnitude of concern up to and including the maximum magnitude on each source are included;

(b) contributions from all sources and all distances are included; and

(c) the results provide the means to select design parameters that can produce comparable degrees of risk at two or more sites. For dam sites, the probability of occurrence of SEE should be determined upon a comprehensive examination not only of data concerning seismicity of the dam site, the type and purpose of the dam and the planned service life, but also the consequence rating of the structure (see Section 5.2).

It should be noted that, in a typical probabilistic seismic hazard evaluation, all magnitudes

are assigned equal weight. For most dams, and embankment dams in particular, the level of shaking caused by a large magnitude earthquake is far more serious than the same level of

shaking caused by a much smaller magnitude earthquake because of the duration effects.

That aspect of the problem can be addressed by defining earthquake scenarios based on deaggregation plots obtained from the probabilistic seismic hazard analysis.

COMMITTEE ON SEISMIC ASPECTS OF DAM DESIGN

(2010) Président Suisse M. WIELAND Membres Chine H. CHEN, Vice-Président Japon N. MATSUMOTO, Vice-Président France M. LINO, Secrétaire Algérie K. BENSEGHIER Argentine J. CARMONA Australie I. LANDON-JONES Autriche G. ZENZ Canada T. LITTLE Chili G. NOGUERA Colombie C. MARULANDA Costa Rica A. CLIMENT Egypte A.M. SHALABY Ancienne République Yougoslave de Macédoine L. PETKOVSKI Allemagne C. KOENKE Inde M. GOPALAKRISHNAN Iran A. MAHDAVIAN Italie A. CASTOLDI Corée H.S. KIM Mexique M. ROMO Norvège K. HOEG Pakistan G.M. MUHAMMAD ILYAS Portugal P.S. SECO E PINTO Russie V.I. BRONSHTEYN Serbie A. BOZOVIC Espagne F. BLAZQUEZ PRIETO Thaïlande T. HARNPATTANAPANICH Royaume Uni J.L. HINKS Etats Unis J.L. EHASZ

PREAMBULE DE LA PREMIERE EDITION DE 1989

L’influence de la sismicité sur les barrages présente un intérêt constant pour la CIGB dans la plupart de ses activités. Un comité de la CIGB a été créé en 1969 pour traiter de ces problèmes et deux Bulletins ont déjà été publiés :

« Considérations sur le calcul sismique des barrages » en 1975 (Bulletin 27, Comité présidé par M. Nose),

« Sismicité et conception des barrages » en 1983 (Bulletin 46, Comité présidé par R.G.T. Lane).

L’étude de la sismicité d’un site de barrage est le sujet du premier chapitre du Bulletin 46, dans lequel on traite de façon sommaire le problème des données sismiques à utiliser dans les calculs de barrages.

En raison de l’importance donnée par la CIGB au choix des paramètres sismiques des grands barrages, le Comité des Aspects sismiques des projets de barrages a été chargé d’étudier ce sujet. Le but était de faire le point sur la technique actuelle dans ce domaine et de préparer des « Recommandations » en vue d’aider les concepteurs dans le choix de ces paramètres.

Un Sous-Comité a été constitué en vue d’ouvrir des discussions : le document « Recommandations pour le choix des paramètres sismiques des barrages », préparé par le Comité National des Etats-Unis (USCOLD) et publié en octobre 1985, a servi de base pour les discussions lors des réunions annuelles en 1986 et 1987. Des commentaires et des modifications ont été présentés par plusieurs pays (Argentine, France, Inde, Japon, Norvège, Pakistan et Yougoslavie).

Le projet définitif de rapport, tenant compte des contributions des pays susmentionnés, a été rédigé par le Président du Comité, discuté au cours de la réunion annuelle du Comité en 1988 et approuvé par la 56e Réunion Exécutive.

Je tiens à remercier tous les Comités Nationaux et les Membres du Comité des Aspects Sismiques des Projets de Barrages qui ont contribué à la préparation des présentes « Recommandations » maintenant publiées comme Bulletin de la CIGB.

PREAMBULE DE L’EDITION REVISEE DE 2010

Depuis la parution de la première édition du bulletin 72 en 1989, d’importants progrès techniques ont été accomplis en matière d’analyse sismique, de conception des nouveaux barrages et d’évaluation sismique des barrages existants. C’est pour cette raison qu’il a semblé pertinent de publier une version mise à jour du bulletin, reflétant les dernières avancées dans le domaine.

Le Bulletin 72 a eu une forte répercussion sur l’étude des séismes et la conception des barrages, comme la définition de deux niveaux de séismes : le séisme de base d’exploitation (SBE) et le séisme d’évaluation de la sécurité (SES). Le terme SES a été introduit dans la seconde édition et remplace le terme de « Séisme Maximal Dimensionnant » (SMD) utilisé dans la première version.

Les barrages et les organes de sécurité tels que les vidanges de fond, les vannes d’évacuateur et le système de commande associé doivent dorénavant pouvoir supporter les secousses du sol du séisme SES. Les dégâts structurels et les déformations du barrage sont acceptés tant que l’eau dans la retenue est retenue en toute sécurité après le séisme SES et le niveau de l’eau dans la retenue est maitrisé. Cela signifie que les critères de performance pour les vidanges de fond et les évacuateurs sont tout aussi exigeants que pour le corps du barrage dans la mesure où ils doivent rester opérationnels après le séisme SES.

Le séisme SBE peut être considéré comme un critère économique et peut à ce titre être discuté, alors que le séisme SES reste un critère de sécurité non négociable pour un barrage.

En suivant ce principe, les barrages peuvent être conçus pour être sûrs sous très fortes sollicitations sismiques. Il est très important de noter que l’aléa sismique est un aléa complexe qui ne comprend pas seulement les secousses du sol, mais également d’autres aspects importants spécifiques au site, tels que les mouvements de failles, le risque d’éboulements rocheux, la liquéfaction, etc. Tous ces aléas doivent être pris en compte.

La sismicité induite par la retenue (RTS) est un phénomène qui doit être pris en compte lors du choix du séisme SES. Toufefois les effets du séisme SES seront plus sévères que ceux provoqués par le séisme déclenché par la retenue (RTS).

Un Sous-Comité, constitué des représentants du Royaume-Unis, de la Chine, du Japon, de la France et du Canada a été créé lors du congrès annuel de 2004 à Séoul afin de réviser le bulletin. Le Pakistan et les Etat Unis ont également apporté leur soutien. Des échanges ont également eu lieu par courriel après les conférences à Téhéran, Barcelone, Saint-Pétersbourg, Sofia et Brasilia.

La version finale de ce document a été validée lors de la 78ème Commission Exécutive en mai 2010 à Hanoï au Vietnam.

J’espère que cette version révisée du Bulletin contribuera à la conception de barrages capables de supporter les effets de forts séismes.

M. Wieland Président du Comité des aspects sismiques

des projets de barrages

1 INTRODUCTION

1.1 Objectif

A l’origine, la préparation de la version préliminaire des présentes Recommandations a été confiée au Comité des Tremblements de Terre du Comité des Grands Barrages des Etats Unis (USCOLD : United States Committee On Large Dams) et le travail fut poursuivi par le Comité des Aspects Sismiques des Projets de Barrage de la CIGB (Commission Internationale des Grands Barrages). Cela a abouti à la publication d’une première édition du Bulletin en 1989. Depuis, des avancées significatives ont été réalisées dans le domaine de la conception au séisme des barrages et il parait nécessaire de prendre en compte les pratiques actuelles de nombreux pays dans une révision de ce Bulletin en vue :

d’établir des « Recommandations » pour le choix des paramètres à utiliser dans la conception sismique et l’évaluation de la sécurité des barrages nouveaux ou existants et leurs structures annexes,

d’améliorer et d’uniformiser la manière de prendre en compte les aspects sismiques intervenant dans l’évaluation du comportement des barrages entre maîtres d’ouvrage, concepteurs et organismes divers concernés par la planification, la construction, l’exploitation, l’entretien et les règlements relatifs aux barrages.

L’emploi de paramètres sismiques significatifs est nécessaire pour une évaluation satisfaisante de la sécurité des barrages vis-à-vis des tremblements de terre. Les présentes « Recommandations » ont pour objectif d’aider maîtres d’ouvrage et concepteurs dans le choix des paramètres sismiques pour les projets de barrage, en tenant compte des exigences liées à la situation de l’ouvrage et au risque sismique associé, au projet retenu et au risque associé à l’ouvrage en exploitation. Un calcul sismique approprié ne remplace pas, mais complète une conception adaptée, l’adoption de matériaux de haute qualité, les méthodes de contrôle efficaces en phase de construction, la surveillance et l’auscultation continues du barrage en phase d’exploitation.

Il faut souligner que, quels que soient les paramètres sismiques et les méthodes de calcul retenus, l’évaluation finale de la sécurité sismique dépend en général du jugement de l’Ingénieur et de son expérience acquise sur des ouvrages identiques (incluant l’évaluation et la prise en considération des nouvelles méthodes d’études et des résultats d’études récemment réalisées). Il faut également tenir compte du fait que chaque ouvrage achevé et son environnement immédiat forment un système unique que l’on ne retrouve nulle part ailleurs.

Les présentes « Recommandations » n’ont pas pour objectif d’estimer la meilleure méthode permettant d’étudier un barrage, les combinaisons des charges avec l’aspect sismique ou le critère de performance adéquat ou encore d’examiner les mécanismes de rupture eux-mêmes. Il faut néanmoins noter que les ruptures de barrage en remblai observées par le passé ont souvent été provoquées par la liquéfaction des matériaux de fondation du barrage ou par ceux du corps du barrage eux-mêmes. L’utilisateur de ces « Recommandations » veillera en conséquence à conserver à l’esprit ce fait lors de l’évaluation de la sécurité de sa structure, laquelle pourrait être sérieusement compromise dans le cas de construction sur matériau

sableux mal compacté ou autre matériau sans cohésion.

La présente mise à jour du Bulletin intervient après plusieurs années de travail du Comité des aspects sismiques des projets de barrages de la CIGB. Les aspects suivants font particulièrement l’objet de cette mise à jour :

Ajout d’un nouveau chapitre : données sismiques d’entrée (paragraphe 3.4),

Ajout de références sur le phénomène de liquéfaction,

Introduction du cas de charge dénommé : SES (Séisme d’évaluation de la sécurité),

Ajout de références concernant la problématique de la construction de barrage sur une faille active,

Ajout de références concernant le séisme déclenché par la retenue (RTE : Reservoir-Triggered Earthquake),

Ajout d’informations sur l’accélération verticale de pointe et sur la durée du séisme (paragraphe 3.4),

Mise à jour des références concernant la formule d’atténuation (Annexe 2),

Mise à jour de la bibliographie.

1.2 Contexte

Les dégradations subies par les barrages et leurs structures annexes peuvent résulter des mouvements d’une faille traversant les fondations ou, plus probablement, des secousses du sol provoquées sur le site du barrage par un tremblement de terre situé à une certaine distance de l’ouvrage. Les présentes « Recommandations » concernent principalement les aspects « mouvements sismiques du sol » associés aux projets de barrages, même s’il est établi qu’un certain nombre de barrage ont été érigés sur des failles actives reconnues. En effet, comme le montre les dégradations significatives observées sur l’évacuateur de crues du barrage de Shih-Kang à Taiwan suite au séisme de Septembre 1999, la fondation d’ouvrages sur des failles actives ou des sites « à pathologie sismique » présente des risques avérés.

Lors du séisme de magnitude 8 sur l’échelle de Richter du 12 mai 2008 dans la région du Weichan en Chine, des dégradations ont été observées sur 1803 barrages et réservoirs et sur 403 usines hydroélectriques pour une puissance installée de 3,3 GW. La plupart des barrages affectés étaient des petits barrages en remblai ; néanmoins, 4 barrages d’une hauteur supérieure à 100 m ont également été touchés par le tremblement de terre. Aussi, les chutes de pierres ou les glissements de terrain, nombreux dans ces zones montagneuses, ont entraîné des dégâts sur des projets hydroélectriques et ont bloqué certains canaux d’amenée. Bien qu’aucune rupture de barrage ne se soit produite, le tremblement de terre du Weichan a mis en évidence qu’il est nécessaire de concevoir les barrages de façon à résister à des séismes violents et que les potentiels de danger entraînés par un séisme sur un ouvrage peuvent être multiples.

Les secousses du sol sont produites par le passage d’un ébranlement de l’écorce terrestre, comme par exemple une onde émanant d’une région de la croûte terrestre où le mouvement d’une faille s’est produit. L’estimation des mouvements sismiques potentiels du sol exige la prise en compte d’un ensemble d’informations dont le volume croît rapidement et l’intervention simultanée de plusieurs disciplines :

géologie, géophysique, sismologie, géotechnique et génie civil. En dépit des progrès rapides de l’état des connaissances, de nombreuses incertitudes persistent encore. Actuellement, la nature complexe du mouvement du sol ne peut être qu’estimée de façon approximative, en utilisant des procédés relativement simples découplant les actions certes identifiées mais généralement mal connues telles que la propagation de l’énergie sismique à partir du foyer d’un tremblement de terre, le comportement non linéaire des masses rocheuses et des dépôts de sols ainsi que l’interaction entre le barrage, sa fondation et la retenue. La variation dans l’espace des mouvements du sol le long de la base du barrage est en général ignorée, principalement à cause du manque de données appropriées.

Les dégradations d’origine sismique subies par des barrages vont des petites fissures ou des tassements de la crête, jusqu’à la rupture totale de l’ouvrage et la perte de la capacité de stockage du réservoir. Toutefois, à l’exception de l’évacuateur de crues du barrage de Shih-Kang, jusqu’à aujourd’hui, aucun barrage en béton n’a subi de rupture catastrophique suite à un séisme. Dans plusieurs cas, soit les barrages étaient situés à bonne distance de la source de libération d’énergie (foyer), soit le niveau de la retenue était suffisamment bas au moment de la secousse sismique. En conséquence, on ne saurait trop insister sur l’impérieuse nécessité de réaliser un projet de barrage résistant aux séismes ou de s’assurer pleinement que le site retenu pour l’ouvrage est non sismique.

La conception parasismique est une pratique courante pour la plupart des nouveaux barrages, mais il n’en a pas toujours été de même pour beaucoup de barrages anciens. Les études et reconnaissances portant sur les foyers sismiques régionaux et sur les conditions de fondation étaient souvent, par le passé, moins approfondies que celles mises en œuvre par la technique actuelle. L’utilisation de procédés de construction, aujourd’hui obsolètes, rend les barrages anciens parfois moins résistants au séisme et leur comportement potentiellement plus difficile à estimer. La sécurité des nouveaux barrages soit être démontrée avant de les mettre en service ; les barrages anciens, dont la sécurité ne peut pas être démontrée, doivent être confortés pour résister au séisme ou être mis hors service. Cependant, il ne devrait pas y avoir de différence intrinsèque dans la méthodologie permettant de choisir les paramètres sismiques pour les projets nouveaux comme pour l’évaluation de la sécurité des barrages existants. Généralement, des recommandations suffisamment conservatrices, telles celles proposées dans les pages suivantes, seront suivies afin de compenser les incertitudes et le manque de précision de l’estimation des secousses sismiques futures. De plus, l’expérience et le jugement dans les domaines de la géologie et de l’ingénierie continueront d’être des facteurs essentiels dans la détermination des paramètres sismiques afin qu’ils soient à la fois conservateurs et réalistes.

Une attention particulière doit être apportée au cas de barrages en cascade puisque la rupture d’un barrage en amont peut entraîner celle d’un barrage situé à l’aval. Il est également envisageable qu’une même secousse sismique provoque des dégradations, voire des ruptures sur différents barrages indépendants.

Les barrages, et plus particulièrement ceux en béton, sont sensibles aux mouvements le long de failles et aux discontinuités en fondation. De tels mouvements peuvent être causés par des failles actives (ou à pathologie sismique) situées dans la fondation ; ils peuvent également provenir de la propagation d’un mouvement associé le long d’une discontinuité suite à un séisme important dans une faille active. Dans ce cas, selon le Bulletin 112 de la CIGB couvrant l’aspect Néotectonique et Barrages, il est préférable de retenir une solution en remblai avec

une conception largement conservative. Il conviendra alors de vérifier la stabilité de l’ouvrage en considérant le séisme de magnitude la plus élevée associée à cette faille. Pour autant, la meilleure approche reste d’éviter de construire de nouveaux barrages sur des failles potentiellement actives.

1.3 Domaine examiné

Le Bulletin contient des recommandations générales pour le choix des paramètres sismiques permettant de procéder à la révision de la sécurité des grands barrages existant et d’établir un projet parasismique pour tout nouvel ouvrage. Ces recommandations (applicable seulement aux Grands Barrages conformément à la définition qu’en donne la CIGB – voir ci-dessous) couvrent les sujets suivants :

Principaux facteurs à considérer dans l’étude sismique,

Choix des séismes pour les calculs,

Choix des paramètres sismiques de calcul,

Facteurs influençant les choix des paramètres sismiques de calcul.

Note : Un grand barrage, conformément à la définition donnée par la CIGB, est un ouvrage de plus de 15 m de hauteur sur terrain naturel ou un ouvrage entre 10 et 15 m de hauteur sur terrain naturel satisfaisant au moins l’un des critères suivants :

a. Une crête de plus de 500 m de long,

b. Un volume total de retenue supérieur à 1 Mm3 (1 x 106 m3),

c. Un évacuateur de crues de débitance supérieure à 2 000 m3/s.

Ce bulletin concerne principalement les effets induits par un séisme sur le corps même du barrage, mais également sur les organes principaux de sécurité tels que les structures en pied aval de l’ouvrage, les organes de vantellerie des évacuateurs de crues, les organes de contrôle-commande et les installations permettant d’assurer l’alimentation en source d’énergie de l’ouvrage. Cependant, de manière exhaustive et non limitative, l’occurrence d’un séisme affectera tous les composants d’un barrage incluant notamment les infrastructures annexes, les infrastructures enterrées, les équipements aussi divers soient-ils et les ouvrages provisoires tel que les batardeaux, etc. Ainsi, tous ces éléments doivent être conçus de manière à résister à un séisme. Pour ces éléments, l’intensité du séisme de calcul pourra être modulée à la baisse par rapport au séisme de calcul du barrage lui-même ou des organes des organes principaux de sécurité. En ce qui concerne les équipements, les mouvements des supports des équipements doivent servir de données d’entrée pour le dimensionnement des équipements eux-mêmes. Pour les éléments situés sur la crête du barrage, une amplification non négligeable du déplacement des supports doit être prise en compte, notamment dans le cas des barrages en béton (barrage voûte notamment).

2 PRINCIPAUX FACTEURS A CONSIDERER DANS L’EVALUATION DE L’ALEA SISMIQUE.

L’évaluation de l’aléa sismique est typiquement nécessaire pour déterminer les paramètres sismiques qui seront nécessaires pour la conception parasismique et l’évaluation des performances du barrage. Une évaluation de l’aléa sismique

implique les études suivantes :

Identification des sources potentielles de tremblement de terre,

Evaluation des caractéristiques de chaque source de tremblement de terre tel que les conditions géologiques, magnitudes et fréquences d’occurrence,

Utilisation d’équations empiriques pour calculer les amplitudes ou intensités des mouvements de sol (c’est-à-dire les lois d’atténuation).

L’évaluation de l’aléa sismique réalisée dans le cadre de projets de barrages doit considérer l’ensemble des informations disponibles sur les conditions sismiques et tectoniques dans l’environnement proche du site du barrage avec leurs degrés d’incertitudes. Les principaux facteurs à considérer dans l’identification de potentielles sources de tremblements de terre et l’évaluation de leurs caractéristiques sont les conditions d’activités tectoniques, les conditions géologiques et l’activité sismique du site du barrage et de ses abords. L’examen ci-après portant sur ces facteurs vise à être relativement complet, mais l’ordre, l’étendue et les détails de cet examen doivent rester flexibles et s’adapter aux conditions locales, aux dimensions du barrage, à la destination de l’ouvrage et aux conséquences d’un dommage ou d’une rupture totale. Le choix des paramètres sismiques pour l’évaluation de la sécurité d’un nouveau barrage ou d’un barrage existant est essentiellement un procédé par approximations successives, devant inclure, au minimum, les exigences indiquées dans les paragraphes ci-après. Comme référence et pour un aperçu rapide du problème, une liste des facteurs principaux à considérer dans les études d’aléa sismique est donnée dans l’Annexe 1.

2.1 Structures tectoniques et géologiques régionales

Les études tectoniques, géologiques et sismiques considèrent en premier lieu, les aspects régionaux et se concentrent ensuite sur les conditions locales du site. Une telle méthode est nécessaire pour comprendre la structure géologique générale et l’histoire sismique d’un site particulier. Certains sites exigent la prise en compte d’une grande surface pour l’étude régionale, afin d’englober toutes les particularités géologiques significatives et de considérer les conditions spécifiques, telles que l’atténuation du mouvement sismique du sol en fonction de la distance à partir de la zone de libération de l’énergie.

L’étude géologique régionale devra porter, a minima, sur une zone de 100 km de rayon autour du site, mais dans de nombreux cas, celle-ci devra être étendue jusqu’à un rayon de 300 km permettant d’englober les principales failles régionales plus importantes, ou des caractéristiques spécifiques d’atténuation concernant une zone déterminée. Les données géologiques prises en considération devront ainsi comprendre :

Identification de la région physiographique et tectonique où le projet est situé,

Histoire géologique de la région du projet,

Description des formations géologiques, des types de roche et dépôts de sols,

Situation des principaux accidents géologiques régionaux comprenant les plis, les réseaux de fractures et de diaclases. On tiendra compte également, dans l’étude, de l’imbrication des principales structures géologiques régionales.

Interprétation des mécanismes tectoniques régionaux et des types de failles associées.

Situation et description des failles et des zones de cisaillement : on examinera si les failles peuvent produire des tremblements de terre ou subir des déplacements du fait des séismes. Cela comprendra une documentation sur l’existence ou l’absence d’activité sismique historique ou préhistorique (paléo-sismicité) de chaque faille.

Estimation de l’activité de chaque faille significative pour l’étude : glissement moyen, glissement lors de chaque événement, intervalle de temps entre les forts tremblements de terre, …

En fonction du contexte géologique, l’étude des phénomènes particuliers suivants peut aussi présenter un intérêt dans l’identification et la caractérisation de potentielles sources sismiques.

Etude du mouvement de magma et de laves et de l’activité éruptive.

Etude de la radioactivité et des courants de convection.

Changements du champ de gravité et études des anomalies de Bouguer.

Etudes aéromagnétiques.

Etudes géothermiques.

Reconnaissances topographiques – profilage laser.

Enquête par télédétection (radar, télédétection par laser LIDAR, photographies aériennes, etc.).

Localisation par satellite (GPS)

Mesures des contraintes in-situ dans la fondation obtenues dans le cadre d’études d’investigations ou dans les puits de pétroles/gaz

2.2 Sismicité historique

La compilation des données historiques sur les séismes aide à cerner le contexte sismique d’une zone et, dans les régions où de nombreux séismes se sont produits, fournit une base pour estimer la probabilité des futures secousses sismiques sur le site considéré. Ceci est basé sur l’hypothèse que des évènements similaires à ceux qui se sont produits dans le passé pourraient se reproduire au même endroit ou à proximité. Toutefois, le manque de données historiques n’implique pas nécessairement que la zone peut être considérée comme non sismique.

Quand ils sont disponibles, une grande attention doit être accordée aux enregistrements de séismes historiques. Des recueils détaillés de séismes, tenus dans différents pays par des organismes qualifiés, fournissent des informations sur les magnitudes, les lieux et des indications sur d’autres paramètres, tels que la profondeur de l’épicentre et le mécanisme au foyer des séismes. Les données figurant dans ces recueils doivent être attentivement analysées en ce qui concerne leur exhaustivité et leur exactitude. A l’échelle mondiale, des données sur les séismes peuvent également être fournies par des agences internationales.

Pour collecter des données qui n’ont pas fait l’objet de mesures instrumentales, il peut être nécessaire d’accomplir des recherches approfondies dans la littérature technique, les journaux et revues, de sources publiques ou privées, sur les séismes

et de répertorier de tels évènements historiques dans la zone d’influence des failles qui pourraient avoir un effet sur le site du barrage. La recherche sur la sismicité historique devrait au minimum couvrir une zone de 100 km de rayon, centrée sur le site du barrage. Mais dans la plupart des cas, elle doit couvrir la région tectonique dans laquelle le barrage est situé, et également la zone de toutes les failles majeures, ce qui peut conduire à un rayon d’étude bien plus grand que 100 km.

Quand elles sont disponibles, les données suivantes devraient être présentées pour tous les évènements considérés :

coordonnées de l’épicentre ;

magnitude (ou intensité épicentrale) ;

date et heure de l’évènement ;

profondeur du foyer ;

mécanisme au foyer ;

zone où l’évènement à été ressenti ;

effets provoqués en surface ;

intensité des mouvements de sol induits au site du barrage (connus ou estimés) ;

fiabilité des données ;

origine des données.

Pour les séismes historiques significatifs qui n’ont pas fait l’objet d’enregistrements par des instruments de mesures sismiques, une carte d’intensité avec les contours isosismiques, qui relient les points de dommages ou d’effets ressentis équivalents, reste l’un des meilleurs moyens de déterminer les fonctions d’atténuation de l’intensité en l’absence d’autres données, en dépit du fait que l’établissement de telles cartes est fortement subjectif.

La sismicité historique et les paramètres géologiques peuvent être utilisés pour déterminer le taux d’activité sismique (nombre d’évènements par an) pour la zone d’étude et, si possible, pour chaque faille active reconnue ou région tectonique dans cette zone. De préférence, les données de sismicité historique doivent être analysées statistiquement pour développer des lois régionales de la magnitude en fonction de la fréquence, si possible pour chaque faille, par exemple en traçant sur un graphique à l’échelle logarithmique le nombre d’évènements par an supérieurs ou égaux à une magnitude spécifique, en fonction de cette magnitude. Un positionnement des épicentres de séismes par rapport au site du barrage est recommandé pour mieux visualiser la localisation des séismes historiques significatifs. La représentation stéréographique du plan des failles à partir des séismes enregistrés peut indiquer l’orientation des contraintes régionales et les failles actives et la trame de l’activité microsismique peut indiquer la position des failles actives.

2.3 Contexte géologique local

Des informations géologiques spécifiques au site sont nécessaires pour vérifier certaines des caractéristiques des déplacements au sol attendus sur le site du barrage et évaluer le potentiel de mouvement direct ou induit d’une faille à travers la fondation du barrage. Tout indice géologique sur ou à proximité du site, qui pourrait

indiquer un mouvement récent de la faille ou une activité sismique, doit être soigneusement analysé. Des données géologiques locales seront recherchées à travers la littérature, les rapports d’études concernant des projets à proximité, les inspections du site, les reconnaissances de terrain, le prélèvement et les essais sur des échantillons. Ils devraient comprendre :

La définition du type, l’étendue, l’épaisseur, le mode de dépôt/formation, et les caractéristiques de stabilité des masses rocheuses et des dépôts de sol.

La localisation et la chronologie du système de failles locales, incluant l’importance et le type de déplacements estimés à partir des données stratigraphiques, l’époque de la dernière rupture, les taux d’activité, de déformation, de glissement, etc., en utilisant des méthodes de mesure appropriées. Dans certains cas, le recours à des techniques d’investigation paléosismiques spéciales, telles que l’ouverture de tranchées et la datation au carbone, peut être indiqué.

L’interprétation de la géologie structurale, incluant l’orientation et l’espacement des systèmes de diaclases, la foliation, les déclivités et le pendage des unités géologiques, les plis, les intrusions et les effusions.

La détermination des conditions hydrogéologiques, comprenant la position de la nappe, la pression et les conditions d’écoulement de l’eau souterraine et la perméabilité des formations rencontrées.

L’évaluation du potentiel de formation de seiches et de glissements de versants dans la retenue.

La détermination des conditions de fondation et d’appui sur les rives, ainsi que leurs propriétés physiques.

L’inventaire des enregistrements de fortes secousses sismiques historiques qui se sont produites à proximité du site ou dans des zones de caractéristiques géologiques ou tectoniques similaires.

3 CHOIX DES SEISMES POUR LES CALCULS

3.1 Méthode générale

Pour l’analyse de stabilité d’un barrage, les séismes de référence doivent être définis afin que les paramètres sismiques appropriés puissent être choisis (magnitude, accélération, ordonnées spectrales, durée, etc.). Cela peut être réalisé en utilisant une méthode déterministe, ou une méthode probabiliste d’évaluation de l’aléa sismique comme résumé à l’Annexe 2.

Dans la procédure déterministe pour le choix des paramètres sismiques de calcul, la magnitude et la distance doivent être déterminées en identifiant les failles actives critiques qui montrent des signes évidents d’activité pendant l’ère Holocène (i.e. derniers 11 000 ans), les grandes failles qui montrent des signes évidents d’activité pendant l’ère du Pléistocène (i.e. entre 11 000 et 35 000 ans) ou de failles majeures qui montrent des signes évidents d’activité pendant l’ère quaternaire (1,8 millions d’années). L’activité de ces failles est à préciser par une méthode appropriée telle que la relation entre la longueur de rupture et la magnitude, ou la relation entre le mouvement de faille et la magnitude. Les distances entre le site et ces failles critiques doivent être connues pour évaluer les autres paramètres. Les paramètres appropriés sont alors obtenus en suivant la méthodologie résumée dans l’Annexe 2.

L’évaluation probabiliste du risque sismique quantifie numériquement la participation aux secousses sismiques au niveau du site de toutes les sources et magnitudes supérieures à un minimum fixé (en général, la magnitude de 4 à 5 sur l’échelle de Richter) jusqu’à et y compris la magnitude maximale de chaque source. L’occurrence possible du séisme pour chaque magnitude et en tout point d’une source (y compris au point le plus proche du site) est directement incorporée dans l’évaluation probabiliste de l’aléa sismique (le paragraphe 5 de l’Annexe 2 donne un résumé d’une telle méthode d’évaluation).

3 .2 Terminologie

La terminologie varie entre les pays qui ont produit des Recommandations pour la conception et l’évaluation des barrages.

Le niveau de séisme au barrage dépend des conditions géologiques et tectoniques dans la région englobant le site de l’ouvrage et la source sismique. Par conséquent, ce niveau dépend de l’énergie libérée, du mécanisme au foyer, de la longueur du parcours de transmission (et de l’atténuation correspondante) et de la géologie de surface au site du barrage.

Dans ce bulletin, le séisme d’évaluation de la sécurité (SES) est le niveau d’activité sismique pour lequel les dommages sont acceptables et pour lequel il ne doit pas y avoir de libération incontrôlée d’eau du réservoir. Le SES remplace le séisme maximal de dimensionnement (SMD) utilisé dans la première édition de ce bulletin et le Séisme de Base de Conception (Design Basis Earthquake, DBE) utilisé dans ICOLD bulletin 46 (Sismicité et conception de barrages). Dans ce bulletin, le Séisme de Base d’Exploitation (Operating Basis Earthquake, OBE) est le niveau de secousse pour lequel il ne doit y avoir aucun dommage significatif sur le barrage et sur ses structures rattachées.

Séisme maximum crédible

Le séisme maximum crédible (SMC) est le séisme de plus grande magnitude raisonnablement concevable qui est considérée comme possible le long d’une faille connue ou au sein d’une province tectonique définie géographiquement, appartenant à la structure tectonique présumée ou présentement connue. La secousse la plus sévère affectant un barrage dans un scénario SMC est appelée la secousse SMC.

La secousse SMC est généralement évaluée en utilisant une approche déterministe dans laquelle un scénario SMC est pris en compte pour chaque faille et province tectonique identifiée.

La période de retour de la secousse du SMC ne peut généralement pas être déterminée.

Si aucun scénario sismique n’est identifié de manière évidente (ex : aucune faille identifiée), la secousse au site est généralement estimée en utilisant une approche probabiliste, la secousse est alors typiquement liée à une longue période de retour, par exemple 10 000 ans. De telles secousses sismiques estimées en utilisant une approche probabiliste peuvent être, soit inférieures, soit supérieures à la secousse du SMC évalué en utilisant une approche déterministe. Cela dépend de différents facteurs tels que les types d’incertitudes intégrées dans chaque approche.

Dans ce contexte, le niveau de sismicité pour lequel le barrage doit être dimensionné et calculé doit être déterminé selon la méthode exposée ci-après.

Séisme d’évaluation de la sécurité (SES)

Le séisme d’évaluation de la sécurité (SES) est la secousse sismique maximale pour laquelle le barrage doit être dimensionné et calculé. Pour les barrages dont la rupture pourrait provoquer un important risque pour la population, le SES devra normalement être caractérisé par un niveau de secousse sismique égal à celui attendu au barrage dont l’occurrence est celle d’un séisme maximum crédible évalué de manière déterministe ou d’une secousse sismique évaluée de manière probabiliste avec une très grande période de retour, par exemple 10 000 ans. Les séismes évalués de manière déterministe peuvent être plus appropriés dans les régions où des séismes relativement fréquents sont associés à des sources bien identifiées, comme par exemple à proximité de frontière de plaques.

La secousse sismique SES doit être prise égale au maximum entre le séisme évalué de manière déterministe et celui évalué de manière probabiliste.

Il est demandé au minimum qu’il n’y ait pas de libération incontrôlée de la retenue quand le barrage est sujet à la charge sismique imposée par le SES. Tout en tenant compte de l’importance du barrage et des conséquences de sa rupture, il est recommandé que tous les organes du barrage servant à contrôler ou retenir le réservoir après un important séisme, incluant la vidange de fond et/ou la vanne de l’évacuateur, soient dimensionnés pour le SES.

Là où il n’y a pas de gros risques de pertes de vies humaines, le SES doit être choisi pour une période de retour minimale dépendant des conséquences de la rupture du barrage.

Cette période de retour est du même ordre de grandeur que celle utilisée pour le risque de rupture en crue.

Séisme de base d’exploitation

Le séisme de base d’exploitation (SBE) représente le niveau de secousse sismique au site du barrage pour lequel seulement des dommages mineurs sont acceptables. Le barrage, ces ouvrages annexes et les équipements doivent restés fonctionnels et les dommages doivent être facilement réparables, en cas de séisme ne dépassant pas le SBE.

En théorie, le SBE peut être déterminé à partir d’une analyse du risque économique mais ce n’est pas toujours pratique ou faisable. Dans beaucoup de cas, il sera approprié de choisir une période de retour minimum de 145 années (par exemple une probabilité de 50 % de non dépassement sur une durée de 100 ans). Comme les conséquences d’un dépassement du SBE sont généralement économiques, il peut être justifié d’utiliser un évènement plus ou moins sévère pour définir le SBE (par exemple une plus longue ou une plus courte période de retour).

Séisme déclenché par la retenue

Le séisme déclenché par la retenue (Reservoir-Triggered Earthquake/RTE) représente le niveau maximal du mouvement du sol susceptible d’être déclenché sur le site du barrage par le remplissage, la vidange, ou la présence de la retenue. Un nombre limité de cas de séismes déclenchés par la retenue ont fait l’objet de rapports. L’étude détaillée de tels cas est recommandée. Les caractéristiques générales du milieu favorisant un RTE sont indiquées dans les paragraphes suivants. Le lecteur est également renvoyé au Bulletin 137 de la CIGB « Retenues et sismicité », qui fournit l’état des connaissances à propos de la sismicité déclenchée par des retenues.

On considère que le RTE est généralement lié aux barrages de hauteur supérieure à 100 m ou aux retenues de grande capacité (supérieure à 500 hm3) ainsi qu’aux nouveaux barrages de plus petite dimension situés en zones tectoniques sensibles. Malgré les avis techniques différents sur les conditions déclenchant la sismicité par des retenues, une telle sismicité devrait toutefois être considérée comme un événement susceptible de se produire si la retenue en question contient des failles actives dans la zone d’influence de son régime hydraulique et si la géologie régionale et locale, ainsi que les données sismiques de cette zone, indiquent une possible sismicité déclenchée par la retenue. Même si toutes les failles d’une retenue sont considérées comme tectoniquement inactives, la possibilité de sismicité déclenchée ne devrait pas être totalement écartée si la géologie et la sismicité locales et régionales laissent à penser que la zone peut être exposée à la sismicité déclenchée par la retenue.

Suivant l’emplacement du barrage et les conditions sismotectoniques prédominantes, le RTE peut présenter un mouvement du sol inférieur, égal, ou supérieur au mouvement du SBE. Le mouvement de sol du RTE ne doit en aucun cas être supérieur à celui du séisme d’évaluation de la sécurité (Safety Evaluation Eartquake – SES) et les failles susceptibles de déclencher la sismicité devraient être prises en considération lors de l'évaluation des risques sismiques. Néanmoins, le déclenchement prématuré d’événements sismiques, qui surviendraient naturellement à long terme, peut résulter de la mise en eau de la retenue. L’installation d’un réseau microsismique et la surveillance de la sismicité avant, pendant et après mise en eau est donc justifiée dans les cas de barrages et réservoirs de grand volume situés en région sismiquement active ou avec de fortes contraintes tectoniques.

Il convient de noter qu'il existe jusqu'à présent seulement six cas communément reconnus de sismicité déclenchée par la retenue où la magnitude du séisme a dépassé 5,7. La plus grande magnitude enregistrée que l’on croit être dû à

un événement déclenché par la retenue est de 6,3.

Si le risque de RTS doit être pris en compte, le mouvement du sol de l'OBE devrait néanmoins couvrir le risque de RTS, puisque le RTS devrait survenir au cours de mise en eau de la retenue et / ou durant les premières années de son fonctionnement.

Séisme de construction

Pour les phases critiques de construction et les structures temporaires telles que les batardeaux, les soutènements (…), il est également nécessaire de vérifier la sûreté parasismique. La période de retour de tels séismes dépend du type de structure, de la durée de son utilisation, ou de la durée et de la vulnérabilité sismique de la structure au cours des phases critiques de construction et des conséquences de sa rupture.

Séisme de dimensionnement des ouvrages annexes

Au minimum, les ouvrages annexes (conduites forcées, centrales électriques, prises d’eau, cavernes rocheuses, ...) devraient être conçus en conformité avec la réglementation sismique applicable aux bâtiments et autres ouvrages. Par conséquent, le mouvement de sol résultant du séisme de dimensionnement du site examiné devrait avoir une période de retour égale à celle spécifiée dans les codes de construction parasismique et qui est généralement de 475 ans. Concernant les structures critiques pour la sécurité du barrage telles que la vidange de fond, les vannes de l'évacuateur, les unités de contrôle et l’alimentation électrique, la conception doit être fondée sur le séisme d’évaluation de sécurité (SES).

3.3 Exigences de l’évaluation sismique

Les charges sismiques de base pour l’étude de nouveaux barrages ou pour l’évaluation de la sécurité de barrages existants sont déduites du SES et le SBE. Selon les conditions applicables, un barrage peut être calculé pour l’une ou pour les deux charges sismiques de base.

L’exigence principale dans la conception de barrages résistants aux tremblements de terre est d’assurer la sécurité publique, de protéger les vies et les biens. Par conséquent, la plupart des barrages doivent résister aux secousses sismiques les plus sévères ou aux mouvements de faille au droit du site du barrage, sans qu’une perte incontrôlable des eaux de la retenue s’ensuive. Il est également important que l'évacuateur de crues et la vidange de fond soient opérationnels après un tremblement de terre. Dans le cas du SES, on peut accepter des dégâts, même importants, sur le barrage, à condition qu’une crue catastrophique ne se produise pas.

En plus de l’exigence principale susmentionnée, plusieurs facteurs interviennent dans l’évaluation de la sécurité vis-à-vis des séismes :

l’aléa sismique au site du barrage ;

le type de barrage ;

les exigences de fonctionnement ;

la vulnérabilité du barrage et de la retenue terminés (voir Section 5.2) ;

les conséquences d’une surestimation ou sous-estimation de l’aléa.

La décision de calculer le barrage pour le SES et le SBE devrait être prise conjointement par le Maître d’Ouvrage, son Ingénieur Conseil et les organismes de contrôle.

3.4 Paramètres d’entrée pour le calcul sismique

Les paramètres sismiques d'entrée typiques pour le calcul des barrages comprennent les accélérogrammes, les accélérations spectrales, ou l’accélération de pic du sol élaborés par une approche déterministe ou probabiliste, comme suit :

Pour les barrages dont l’aval présente une vulnérabilité extrême ou haute, les paramètres de mouvement du sol du SES doivent être estimés au niveau du 84ème centile s’ils sont calculés selon une approche déterministe, et ne doivent pas avoir une probabilité de dépassement annuelle inférieure à 1/10000 s’ils sont développés selon une approche probabiliste.

Pour les barrages dont l’aval présente une vulnérabilité modérée, les paramètres de mouvement du sol du SES doivent être estimés entre le 50ème et le 84ème centile s’ils sont calculés selon une approche déterministe, et ne doivent pas avoir une probabilité de dépassement annuelle moyenne inférieure à 1/3000 s’ils sont développés selon une approche probabiliste.

Pour les barrages dont l’aval présente une vulnérabilité faible, les paramètres de mouvement du sol du SES doivent être estimés au niveau du 50ème centile s’ils sont calculés selon une approche déterministe, et ne doivent pas avoir une probabilité de dépassement annuelle moyenne inférieure à 1/1000 s’ils sont développés selon une approche probabiliste.

Les mouvements du sol pour le SBE auront normalement une probabilité de dépassement annuelle moyenne de l’ordre de 1/145.

La durée d’une forte secousse est liée à la magnitude de l'événement et elle est d'une importance considérable dans l'évaluation du comportement des barrages. Ceci est spécifiquement le cas des barrages en remblai, bien que la durée de la secousse puisse aussi être un facteur important pour les barrages en béton soumis à un comportement non linéaire. Les relations empiriques entre la magnitude et la durée des tremblements de terre peuvent être utilisées pour estimer la durée caractéristique du séisme de dimensionnement.

Ce bulletin préconise également que les accélérations verticales de pic soient généralement supposées égales aux 2/3 des accélérations horizontales de pic, mais que, dans l'estimation des accélérations verticales de pic sur des sites à proximité de l'épicentre présumé, il soit tenu compte du type de mouvement de la faille pressenti (normale, inverse ou décrochement). Certaines relations d'atténuation modernes donnent des estimations directes des mouvements du sol, tant horizontaux et que verticaux.

4 CHOIX DES PARAMETRES SISMIQUES DE CALCUL

Les paramètres sismiques utilisés pour l’évaluation de la sécurité du barrage représentent une ou plusieurs caractéristiques relatives au mouvement du sol, telles que : accélération, vitesse ou déplacement, spectres de réponse ou évolutions de l’accélération dans le temps, qui caractériseront le SES et le SBE. On peut les choisir de façon déterministe ou à partir d’une évaluation probabiliste de l’aléa sismique.

Diverses combinaisons de ces paramètres sont souvent adoptées. Par exemple, plusieurs accélérogrammes peuvent définir le même SES, puisqu’il n’existe pas de procédé unique pour déterminer un niveau donné du mouvement sismique du sol.

Les paramètres sismiques qui représentent le SES et le SBE servent souvent de données d’entrée pour les calculs numériques du barrage. Les résultats de tels calculs numériques sont utilisés pour évaluer le comportement et la sécurité du barrage, une fois qu’on a choisi le niveau du mouvement sismique.

Beaucoup des facteurs qui influent sur le mouvement du sol et sur les paramètres sismiques de calcul ne sont pas encore pleinement compris. Le mouvement du sol sur chaque site considéré est influencé par la source, le parcours de transmission et des conditions locales du site.

Les effets de la source incluent le type de faille, les dimensions, le mécanisme et la direction de rupture, la profondeur du foyer, la chute de contrainte et la quantité d’énergie libérée.

Les effets du parcours de transmission concernent la propagation géométrique et l’absorption de l’énergie sismique lorsque les ondes sismiques s’éloignent de la source. Ils comprennent des phénomènes tels que ceux liés au type de roches, aux structures géologiques de la région y compris les failles et plis, aux hétérogénéités de la croûte terrestre, aux alluvions profondes et aux effets de direction (direction de la propagation des ondes par rapport à la direction de propagation de la rupture de la faille).

Les effets locaux résultent des conditions topographiques et géologiques existant sur le site et de l’interaction possible entre les ouvrages et le milieu environnant. Le fait d’être situé dans une zone intra-plaque ou inter-plaque joue aussi un rôle.

Les facteurs qui sont généralement considérés comme les plus significatifs pour la définition des paramètres sismiques sont :

La classification du site (alluvions ou rocher)

Les propriétés physiques et l’épaisseur des matériaux de fondation,

La proximité de la faille génératrice (les effets dans le champ proche),

La distance depuis la zone où l’énergie est libérée,

La magnitude du séisme de projet,

Le type de faille (normale, inverse, ou avec décrochement).

D’autres facteurs, tels que la direction de propagation de la rupture de la faille (effets de direction) et la topographie, sont souvent significatifs et sont pris en compte dans les études sismiques de barrages situés dans des zones où de nombreux séismes ont été enregistrés et analysés.

De préférence, les paramètres sismiques seront basés sur des considérations propres au site, faisant appel aux connaissances et observations réelles se rapportant à des enregistrements sismiques effectués sur des sites de caractéristiques identiques.

Cependant, quand les données applicables au site sont trop peu nombreuses pour être significatives, une caractérisation du mouvement du sol, indépendante du

site, doit être utilisée.

L’idéal serait de tenir compte de tous les facteurs affectant le mouvement du sol, mais, en général, il n’est pas pratique de directement les faire intervenir, en totalité, dans l’estimation des paramètres sismiques. Par exemple, les lois d’atténuation du mouvement du sol ne prennent généralement en compte qu’un ou deux facteurs de la source – magnitude et type de faille (par exemple) – et un seul paramètre du parcours de transmission (distance). Les effets locaux ne sont généralement pas pris en compte ou alors ils se limitent à la simple distinction entre rocher et alluvions et à l’éventuelle considération d’effets dans le champ proche. D’autres effets ne sont pas spécifiquement inclus mais sont pris en compte dans les termes d’incertitude définis pour ces lois d’atténuation.

Les éléments utilisés pour caractériser les paramètres sismiques de calcul sont décrits dans les paragraphes de l’Annexe 2.

5 FACTEURS QUI INFLUENCENT LA SELECTION DES PARAMETRES D’EVALUATION DES SEISMES.

5.1 Généralités

Les exigences posées par l’analyse et, par conséquent, la manière dont les paramètres sismiques sont choisis et définis dépendent, dans une large mesure, des objectifs de l’étude et des modes de rupture possibles du barrage. Les diverses méthodes d’analyse appellent différentes méthodes de détermination d’un niveau de mouvement sismique. Il est donc essentiel qu’une collaboration efficace s’établisse, dès le début du travail, entre les géologues, géophysiciens et ingénieurs responsables de la définition des charges sismiques et ceux qui vont calculer le barrage. Les facteurs qui influent sur la spécification des paramètres sismiques sont les suivants :

Le niveau de vulnérabilité de la zone à l’aval du barrage en service ;

Le type de barrage et le(s) mode(s) de rupture possible(s).

Du bon sens et une expérience professionnelle sont exigés pour déterminer la méthode la plus appropriée pour l’étude du barrage et pour la définition des paramètres sismiques, en s’appuyant sur les facteurs mentionnés ci-dessus.

L’objectif des présentes Recommandations n’est pas de discuter des méthodes d’analyses qui sont disponibles, ni de la manière de les mettre en œuvre. Cependant, les paragraphes suivant décrivent brièvement comment les facteurs susmentionnés influent sur le choix des paramètres sismiques appropriés, compte tenu de la méthode appliquée.

5 .2 Influence de la vulnérabilité aval

La vulnérabilité associée aux ruptures de barrages, comprennent des éléments structurels et des socio-économiques. Les conséquences d’une rupture de barrage dépendent d’une part de la capacité de stockage de l’ouvrage et de sa hauteur, et d’autre part des enjeux situés dans la zone d’inondation en aval.

Les conséquences socio-économiques peuvent être évaluées sur la base du

nombre de personnes qu’il serait nécessaire d’évacuer en cas de danger dans la zone exposée.

Il est possible de classer les conséquences potentielles en prenant en compte le poids des différents éléments mentionnés précédemment, en associant des poids croissants pour les barrages disposant de volume de stockage importants, nécessitant des capacités d’évacuation des crues importantes et susceptibles de causer des dommages plus importants aux enjeux situés en aval. De cette manière, il est possible de définir une classification de la vulnérabilité comprenant plusieurs classes comprises entre faible et extrême.

Cette appréciation des conséquences par composante, et plus particulièrement celle des composantes socio économiques, repose sur des évaluations qui doivent refléter l’impact sur le tissu socio-économique concerné. En conséquence, chaque pays pourra être amené à adapter dans sa méthodologie la prise en compte des conséquences socio économiques. Les considérations précédentes peuvent être utilisées à titre d’indication générale.

On notera que pour des barrages existants, tout aménagement situé en aval de l’ouvrage est de nature à pouvoir affecter l’analyse des conséquences associées.

La connaissance de la classe de vulnérabilité associée à un ouvrage est nécessaire pour sélectionner les paramètres d’évaluation sismique, les barrages associés à une classe de vulnérabilité extrême ou élevée nécessitant normalement un niveau d’analyse plus sophistiqué.

Normalement, des ouvrages associés à une classe de vulnérabilité extrême ou élevée nécessiteront la mise en œuvre de méthodes d’analyse détaillée prenant en compte des calculs dans le temps (accélérogrammes), spécialement si de tels barrages sont associés à des sites comportant un niveau d’aléa sismique élevé. Des méthodes d’évaluation plus simples utilisant les spectres de réponse ou l’accélération maximale du sol, peuvent être acceptées pour les barrages associés à une classe de vulnérabilité faible.

Il faut comprendre que l’approche indiquée dans cette section (classement des barrages en fonction de l’aléa du site, de sa taille et des conséquences globales à l’aval) est un traitement possible mais non exhaustif du problème des conséquences associés à une rupture auquel le jugement de l’ingénieur doit être associé.

5.3 Influence du type de barrage

Le type de barrage et son (ses) mode(s) de rupture possible(s) doivent être considérés, en même temps que le risque sismique et la classe de conséquences associée pour le choix final des paramètres sismiques. Un haut niveau d’expertise est nécessaire pour déterminer de quelle façon ces paramètres influeront sur la détermination des paramètres sismiques.

L’objet de ces recommandations n’est pas de discuter des méthodes les plus appropriées de calcul des barrages, de la combinaison des séismes et des différents cas de charges ou encore des critères applicables pour l’évaluation du comportement de l’ouvrage.

Cependant, on examine brièvement ci-après l’influence du type de barrage, du type de calcul, et du (des) mode(s) de rupture associé(s) sur le choix des paramètres sismiques. En effet, ces facteurs influent fortement l’approche du choix de ces

paramètres.

La manière la plus complète de déterminer une charge sismique est d’utiliser trois composantes orthogonales du mouvement du sol, c'est-à-dire les deux composantes horizontales et la composante verticale. Selon les exigences du mode de calcul, la prise en compte des trois composantes peut ne pas être toujours nécessaire.

5.3.1 Barrages en béton

Les problèmes de sécurité concernant les barrages en béton exposés à des séismes comprennent l’évaluation de la stabilité d’ensemble de l’ouvrage, comme par exemple, la vérification de sa capacité de résistance aux forces latérales induites et aux moments correspondants et la protection contre une fissuration excessive du béton. Différents types d’analyse peuvent être menés, allant du calcul simplifié dans le cas des barrages poids aux méthodes les plus élaborées de calcul aux éléments finis qui peuvent s’appliquer pour tout type de barrage en béton.

L’accélération maximale du sol et les spectres de réponse seront suffisants pour définir les paramètres sismiques de calcul si des méthodes simplifiées sont employées.

Les calculs dynamiques par la méthode des éléments finis peuvent être effectués en utilisant soit les spectres de réponse soit les accélérogrammes et seront le plus souvent exigés pour la plupart des ouvrages dont la classe de vulnérabilité ou de risque associée est élevée ou extrême. Les contraintes induites étant un paramètre fondamental dans l’étude du comportement du barrage et le comportement linéaire élastique étant généralement adopté, les spectres de réponse ou les accélérogrammes peuvent être utilisés pour la définition du séisme de projet et pour l’évaluation des valeurs maximales des contraintes. Cependant, si une modélisation non linéaire est réalisée, ou si le nombre des cycles de contraintes ou l’extension des zones de contraintes significatives sont importants pour l’évaluation du comportement du barrage, les accélérogrammes devront être utilisés exclusivement. Comme les barrages en béton répondent généralement à des fréquences relativement élevées, il est important que les accélérogrammes soient discrétisés avec un pas de temps suffisamment fin, en général entre 0,005 à 0,02 secondes. La pertinence du choix de cette discrétisation doit être vérifiée avant d’entreprendre les calculs.

Pour les barrages poids rectilignes, deux composantes du mouvement, une horizontale et une verticale et un calcul bidimensionnel sont généralement suffisants. Cependant les barrages poids en béton dans les gorges étroites pourront nécessiter une analyse tridimensionnelle en modélisant deux composantes de mouvement horizontales et une composante verticale, si un calcul détaillé est justifié. Pour les barrages voûtes en béton, et pour la plupart des ouvrages poids en béton arqués, deux composante horizontales indépendantes et une composante verticale du mouvement doivent être prises en compte afin d’effectuer un calcul tridimensionnel.

Une attention particulière doit être portée à l’analyse des barrages de grande longueur pour lesquels, par exemple, les contreforts peuvent avoir des mouvements vibratoires déphasés.

Pour les ouvrages en béton, il sera nécessaire de prendre en compte l’accélération verticale, les effets d’amplification et les effets liés à l’interaction entre le réservoir et le barrage dont les effets peuvent être importants sur le

développement des contraintes sismiques induites dans la structure de l’ouvrage. L’amortissement pour les barrages en béton est habituellement compris entre 3 et 10% et est souvent pris à 5%.

5.3.2 Barrages en remblai

La problématique de sécurité pour les barrages en remblais soumis à un séisme comprend d’une part la perte de stabilité due à la chute de résistance des matériaux du remblai ou de la fondation, par exemple la liquéfaction due à la montée des pressions interstitielles), d’autre part les déformations permanentes excessives (affaissement, tassement, fissuration du remblai, rupture plane ou rotationnelle). Le calcul peut être mené en utilisant la méthode de Newmark ou une approche par éléments finis linéaires ou non linéaires ou par la méthode des différences finies. Il faut noter que la méthode de Newmark et la plupart des approches prennent seulement en compte les déformations de cisaillement et ignorent les déformations et les tassements de crête provoqués par les changements de volume pendant la sollicitation sismique (par exemple la densification des sables, graviers et enrochements). Il est recommandé de commencer par les méthodes simplifiées avant de mettre en œuvre les approches plus détaillées et plus complexes afin de déterminer rapidement l’influence des paramètres sismiques. On note toutefois que la méthode pseudo-statique ne permet pas d’obtenir une évaluation fiable et réaliste. Malgré tout, si les matériaux de remblai ne sont pas sujets à la perte de raideur et de résistance pendant le séisme et si les classes d’aléa et de vulnérabilité sont faibles, une approche simplifiée par le calcul de facteurs de charges sismiques à partir de l’accélération maximale du sol peut fournir une première indication utile sur la stabilité.

Pour estimer le comportement d’un barrage en remblai soumis à un séisme fort ou extrême, des analyses détaillées par éléments finis ou différences finies sont réalisées ; le mouvement sismique est alors défini par des accélérogrammes. Les périodes fondamentales de vibration des barrages en remblai sont dans la fourchette de 0,5 à 1,5 s. Il en résulte que pour l’analyse par éléments finis, des pas de temps de calcul plus longs que ceux recommandés pour les barrages en béton peuvent être utilisés, par exemple des pas de temps jusqu’à 0,05 s se sont révélés acceptables dans certains cas. Par contre, si on utilise une formulation explicite des équations du mouvement, dans une analyse aux différences finies non linéaire par exemple, alors un pas de temps très court (typiquement 0,001s ou moins) est requis.

Si les matériaux de la fondation et du barrage ne sont pas sujets à la perte de raideur et de résistance sous sollicitations cycliques, ou si le remblai n’est pas saturé, l’analyse dynamique servira de base à l’estimation des déformations permanentes induites par le séisme en utilisant l’approche de Newmark ou d’autres méthodes. Si par contre les matériaux du barrage ou de la fondation sont susceptibles de perdre leur raideur ou leur résistance sous sollicitations cycliques, l’analyse dynamique devra permettre de déterminer le nombre de cycles et l’amplitude des contraintes cycliques afin de déterminer si la sollicitation est suffisante pour déclencher la perte de résistance au cisaillement des matériaux. On mettra alors l’accent sur la réponse en contrainte du barrage. Dans l’analyse détaillée d’un barrage en remblai, il n’est pas possible d’utiliser un spectre de réponse comme donnée d’entrée sismique, car le développement des pressions interstitielles ou de déformations excessives sont largement dépendantes de la durée du séisme. Une forme de réponse spectrale peut toutefois être utile pour juger de la bonne représentativité des accélérogrammes retenus.

Dans le passé, on a souvent considéré qu’il n’était pas nécessaire de prendre en compte la composante verticale du séisme ou les effets hydrodynamiques du réservoir pour évaluer la réponse dynamique d’un barrage en remblai. Dans la pratique actuelle, il est recommandé de prendre en compte toutes les composantes du tremblement de terre dans l’analyse et la conception sismique du barrage.

On retient généralement un amortissement dans la fourchette de 5 à 20% pour les barrages en remblai. Pour un mouvement fort, il dépassera probablement 15%/

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7 GLOSSAIRE

Les définitions suivantes sont données pour permettre une compréhension uniforme des termes utilisés dans le présent document. Pour les mots ou termes figurant dans le Glossaire CIGB (Bulletin 32a) et désignés par (*), les définitions sont celles données dans ce Glossaire.

Amortissement : Résistance réduisant ou s’opposant à la vibration par absorption d’énergie. Il existe différents types d’amortissement, comme par exemple, l’amortissement dû au matériau (visqueux, Coulomb) et l’amortissement géométrique (amortissement par rayonnement).

Amortissement critique : La plus petite valeur d’amortissement capable d’empêcher une vibration oscillatoire libre, dans un système à un seul degré de liberté.

Atténuation : Diminution des amplitudes et changement des fréquences des ondes sismiques en fonction de la distance parcourue, résultant de la propagation géométrique, de l’absorption de l’énergie et de la dispersion.

Champ libre : Régions de la surface du sol qui ne sont pas influencées par les ouvrages construits. Désigne également un milieu qui ne contient pas d’ouvrage (profil de champ libre) ou une région sur laquelle les effets aux limites n’ont pas d’influence appréciable sur le comportement du milieu.

Chute de contrainte : Différence entre la contrainte de cisaillement sur le plan de faille avant et après la rupture

Classe d’aléa : Dans ce bulletin, la classe d’aléa traduit la probabilité, en terme d’occurrence et d’intensité, de subir un séisme au droit du site du barrage.

Composant critique vis-à-vis de la sécurité : Composant d’un barrage qui peut avoir un impact significatif sur la possibilité d’abaisser ou de contrôler la retenue. Par exemple les vidanges de fond, les vannes et piles de l’évacuateur de crue, l’alimentation en énergie, les systèmes de contrôle-commande des vannes etc…

DBE : Séisme de Base de Dimensionnement

Épicentre (*) : Projection du foyer (hypocentre) d’un séisme sur la surface de la Terre.

Faille : Fracture ou zone de fracture dans l’écorce terrestre le long de laquelle s’est produit un déplacement des deux compartiments, l’un par rapport à l’autre et parallèlement à la fracture.

Faille active : Faille valablement identifiée et déterminée en position, qui est connue pour avoir produit des séismes historiques ou montre une évidence géologique de déplacement durant l’Holocène (c.à.d. il y a moins de 11 000 ans). Les grandes failles pour lesquels des mouvements ont eu lieu à la fin de l’époque Pléistocène (c.a.d. il y a 11 000 à 35 000 ans) et les failles majeures où des mouvements ont eu lieu à plusieurs reprises durant le Quaternaire (c.a.d. il y a moins de 1,8 million d’années) sont également considérées comme failles actives.

Faille à rejet horizontal (décrochement) : Faille dans laquelle le mouvement relatif est principalement horizontal

Fréquence : Nombre de cycles par seconde d’une oscillation.

Foyer : Voir hypocentre.

Hypocentre (ou Foyer) (*) : Endroit plus ou moins profond où se produit le choc initial qui engendre les ondes sismiques.

Indice ou Classe de vulnérabilité : Dans ce bulletin, l’indice de vulnérabilité est la mesure des conséquences (c.a.d. de l’impact présumé à l’aval) d’une rupture de barrage ; cet indice va de Faible à Extrêmement grave.

Intensité : Index numérique décrivant les effets d’un séisme sur les ouvrages construits ou sur les autres singularités de la surface terrestre. L’attribution des valeurs d’intensité est subjective et est influencée par la qualité de la construction, les conditions sur la surface du sol et la perception individuelle de l’observateur. Différentes échelles d’intensité sont utilisées en divers pays comme, par exemple, l’Echelle Modifiée de Mercalli (couramment utilisée aux Etats-Unis).

Magnitude (*) : Mesure objective d’un tremblement de terre, indépendante du lieu d’observation. Elle est calculée à partir d’enregistrements sur sismographes et s’exprime en degrés, numérotés en chiffre ordinaires avec décimales et établis sur la base d’une échelle logarithmique.

Mouvement dans le champ proche : Mouvement enregistré au voisinage d’une faille. A titre d’exemple, à l’ouest des Montagnes Rocheuses aux Etats-Unis, le champ proche peut être défini à partir du tableau suivant :

Magnitude de Richter M

Intensité maximale de Mercalli Modifiée I0

Rayon du Champ Proche (km)

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5

VI VII VIII IX X XI

5 15 25 35 40 45

Ces limites du mouvement dans le champ proche sont mesurées à partir de l’emplacement de l’épicentre en l’absence de rupture visible de la faille, ou perpendiculairement à la trace de la faille causale. Dans certaines régions les limites des mouvements dans le champ proche ne sont pas établies (comme, par exemple, dans la partie Est des Etats-Unis). Les limites peuvent nécessiter des ajustements dans le cas des failles inverses ou des failles de chevauchement.

Mouvement fort : Mouvement d’amplitude suffisante pour avoir une influence significative dans l’évaluation des dommages sismiques sur les ouvrages

PGA : Accélération maximale du sol

Phase : Angle de retard ou d’avance d’une onde sinusoïdale par rapport à une référence. La réponse en phase est le graphique du déphasage en fonction de la fréquence.

Profondeur de foyer : Distance verticale entre l’épicentre et l’hypocentre.

Province tectonique : Aire géologique caractérisée par la similarité des structures géologiques et les caractéristiques sismiques

Rapport d’amortissement : Rapport entre l’amortissement réel et l’amortissement critique.

SBE : Séisme de Base d’Exploitation (OBE)

SMP : Séisme Maximum Possible.

Spectre de réponse : Représentation graphique des valeurs maximales des réponses en accélération, vitesse et/ou déplacement d’une série infinie de systèmes à un degré de liberté, soumis à une excitation dynamique fonction du temps, comme, par exemple, un mouvement du sol. Les valeurs maximales de réponse sont exprimées en fonction de la période naturelle non amortie pour chaque amortissement donné.

RTE: Séismicité induite ou déclenchée par le réservoir

SES: Séisme d’évaluation de la sécurité

Substratum : Toute formation sédimentaire, cristalline ou métamorphique, représentant une unité géologique constituée d’une masse, couche ou barre saine et solide de matière minérale et présentant des vitesses de propagation des ondes transversales (de cisaillement) supérieures à 750 m/s. Le substratum peut affleurer à la surface du terrain naturel ou se trouver au-dessous d’une couverture de sol.

ANNEXE 1

LISTE DES PRINCIPAUX FACTEURS A CONSIDERER DANS L’EVALUATION DE L’ALEA SISMIQUE

1 FACTEURS REGIONAUX

Contexte géologique régional

Frontières des plaques tectoniques,

Histoire géologique de la zone du projet,

Identification de la physiographie régionale (relief régional de la Terre),

Description des formations géologiques (type de roches…),

Emplacement des principales structures (plis, fractures, failles,…),

Evaluation de l’importance relative de l’activité des failles (vitesse de déplacement…) et des déformations (vitesse de subsidence…) au niveau de la zone du projet.

Histoire sismique

Coordonnées des épicentres,

Intensité à l’épicentre

Effet à la surface et les contours isoséistes à reporter sur un plan,

Profondeurs focales,

Zone de ressenti,

Intensité au niveau du barrage, connue ou estimée,

Quantification du taux d’activité sismique (si possible ou évident).

Sismologie

Activité microsismique,

Profondeurs focales,

Mécanismes au foyer,

Enregistrements de mouvements forts, si disponibles.

Interprétation sismotectonique

Estimation des contraintes régionales à différentes périodes géologiques (à partir des stylolites, etc…)

Mesures de contraintes in situ dans la région du site, si disponibles,

Interprétation des mécanismes tectoniques régionaux et des types de faille associés,

Localisation et description des failles (et des zones de cisaillement) capables de générer des tremblements de terre (ou de jouer sous l’effet d’un séisme),

Définition et cartographie des provinces sismotectonique

2 FACTEURS LOCAUX

Géologie locale

Stratigraphie et pétrographie du substratum,

Tectonique et microtectonique locales (failles, diaclases,...)

Dépôts superficiels (alluvions, terrasses fluviales, moraines, sols,...)

Carte hypsométrique des dépôts superficiels (à utiliser pour les effets de site)

Lignes de niveau du substratum Hydrogéologie

Changements périodiques du niveau statique de l'eau, études de perméabilité, composition chimique de l'eau.

Etudes géophysiques

Suivi du radon, des courants de convection, études géothermiques et mesures du champ de gravité

Données géotechniques

Substratum

Dépôts superficiels

Exploitation des ressources naturelles dans la région du projet

Eaux souterraines

Pétrole et gaz

Dépôts minéraux

ANNEXE 2

DETERMINATION DES PARAMETRES SISMIQUES DE CALCUL

1 PARAMETRES DU MOUVEMENT DE PIC DU SOL

Le mouvement du sol peut être caractérisé par les valeurs de pic ou les valeurs effectives de l'accélération, de la vitesse et/ou du déplacement. Des relations empiriques déduites des données sismiques disponibles, appelées lois d'atténuation, relient les paramètres de pic du mouvement du sol à la distance depuis la source de l'émission d'énergie et à la magnitude. Ces relations sont cependant très sensibles à l'estimation de la distance et de la magnitude, particulièrement dans le champ proche. La dispersion entre les valeurs observées et prédites est habituellement relativement importante du fait des nombreux facteurs affectant l’enregistrement des mouvements forts (caractéristiques du site, emplacement des instruments enregistreurs,...)

Le concept d'accélération effective du sol (EPA) est discuté par Chen (Réf 19). Cependant le concept plus simple d'accélération de pic du sol (PGA), malgré ses défauts reconnus, comme par exemple son manque de prédictibilité dans le champ proche ou sa manifestation assez courante aux hautes fréquences de peu d'importance sur les ouvrages, reste l'élément le plus utilisé pour caractériser les paramètres sismiques pour les calculs de barrages. Plusieurs lois d'atténuation ont été développées ces dernières années pour évaluer ce phénomène ; elles ont été généralement développées pour des régions spécifiques. Pour les projets à l'intérieur de ces régions, les formules les plus fiables doivent être utilisées. De même, on doit seulement utiliser les formules les mieux adaptées au contexte du projet, par exemple dans le cas d'une région intra plaque ou extra – plaque. Des formules fiables ne sont toutefois pas toujours disponibles et, dans ces cas, on effectuera une moyenne pondérée des valeurs déduites des équations les plus fiables et les plus acceptées pour cette variable.

La section 6.0 liste quelques équations actuellement largement utilisées (par exemple Réf 4, 7, 15, 16, 21, 33). De nouvelles lois sont développées et publiées régulièrement. Ainsi une recherche des équations d'atténuation disponibles doit toujours être réalisée lors de l'estimation de l'aléa sismique, ceci afin d'identifier les plus pertinentes pour la région étudiée.

Dans un premier temps, il est généralement préférable de définir le PGA au rocher affleurant, les équations d'atténuation référencées ci dessus étant applicables au rocher de fondation ou au sol dur. La valeur obtenue est alors ajustée selon les nécessités pour tenir compte des conditions spécifiques du site, telles que la topographie ou les dépôts alluviaux épais (où les accélérations dans le champ libre contiennent en général plus d'énergie dans le domaine des périodes longues que celles concernant les sites rocheux). Des sédiments mous amplifient les ondes sismiques de basses fréquences pour les séismes importants, mais réduiront le déplacement du sol dus à des événements locaux de moindre importance par l'absorption des ondes sismiques de hautes fréquences. Si des sédiments sont présents en surface sur le site du barrage, le spectre donné devra être corrigé par une fonction de transfert dépendant de la fréquence et tenant compte de la

profondeur des sédiments. Le modèle de déplacement du sol de Chiou et Youngs [21] prend en compte la vitesse de l'onde de cisaillement à une profondeur de 30 m et est applicable pour des vitesses comprises entre 150 et 1500 m/s et au delà.

Le terme d'erreur associée aux lois d'atténuation et la signification statistique des valeurs prédites (erreurs maximales absolues, effectives, moyennes, médianes ou médianes plus une déviation standard (84 percentile) doivent être soigneusement analysés et compris avant d'utiliser ces valeurs dans les calculs.

Jusqu'à présent, peu de lois d'atténuation ont été développées pour les vitesses de pic, (qui pourraient être un meilleur indicateur de l'intensité de vibration du sol que le PGA, particulièrement dans le champ proche), pour les déplacements de pic ou pour la composante verticale du déplacement du sol. Dans le champ proche, le mouvement vertical peut être tout à fait significatif et l'évaluation détaillée d'un tel mouvement est recommandée pour tous les sites situés dans ce champ. Pour les sites en dehors du champ proche, ce Bulletin recommande d'estimer le PGA vertical à deux tiers du PGA horizontal.

2 DUREE

La durée des secousses est l'un des paramètres sismiques les plus importants pour les barrages, car il a été montré qu'elle était directement liée aux dommages, particulièrement pour les barrages en remblai.

Les durées des séismes peuvent être estimées de différentes manières. La durée entre crochet [D], mesurée entre la première et la dernière manifestation des accélérations supérieures à 0,05g à des fréquences supérieures à 2 Hz [11] revêt une importance particulière pour l'ingénieur. Chang et Krinitzsky [18] ont examiné plusieurs relations empiriques entre la magnitude et la durée, et ont établi des courbes reliant durée [D], la magnitude et la distance de l'épicentre, en distinguant le sol et la roche. Les conditions locales peuvent également influencer la durée attendue des secousses sismiques et doivent être prises en compte au cas par cas.

3 SPECTRE DE REPONSE

Les spectres de réponses représentent, en fonction de la fréquence et pour un rapport d'amortissement donné, la réponse maximale (en accélération, vitesse ou déplacement) d'un système à un seul degré de liberté soumis à une excitation dépendante du temps. Les spectres de réponses associés au SES et au SBE peuvent être caractérisés à partir de l'accélération, de la vitesse ou du déplacement de pic du sol [44] ou en utilisant des formes spectrales généralisées dépendantes ou non des caractéristiques du site.

Les formes spectrales sont généralement établies dans un format normalisé (i-e ramenées à l'échelle de 1 g). Pour définir les mouvements sismiques, elles sont ramenées uniformément à l'échelle d'une valeur spécifiée de l'accélération de pic du sol, de la vitesse de pic du sol, ou d'un autre paramètre sismique applicable (par exemple l'intensité spectrale) et ce indépendamment de la période considérée dans la plupart des cas.

Si des séismes peu profonds sont envisagés, les spectres doivent être déplacés vers des fréquences plus élevées.

Les formes spectrales normées sont généralement uniquement appropriées pour les analyses préliminaires ou l'examen préalable. Une alternative aux formes

spectrales est de calculer directement des spectres de réponse en utilisant les relations appropriées d'atténuation du mouvement du sol. En complément du PGA, la plupart des équations d'atténuation modernes comprennent des formules permettant d'évaluer les accélérations de pic spectrales pour une plage de fréquence

Le niveau de l'amortissement et le nombre des valeurs d'amortissements pour lesquels les spectres de réponses seront définis en vue de représenter le SES et le SBE doivent être déterminées sur une plage de valeurs adaptées au type de barrage et au niveau de mouvement de sol considéré. Par exemple, les valeurs d'amortissements pour les barrages en béton se situent généralement entre 3 à 10 %, selon que la réponse est supposée principalement élastique ou si des non linéarités (correspondant par exemple à la fissuration du béton) sont indirectement prises en compte dans l'analyse en supposant une plus grande valeur d'amortissement. Les valeurs d'amortissement pour les grands barrages voûtes sont généralement plus faibles que celles des barrages poids plus massifs du fait de l’amortissement radiatif. Pour les barrages en remblai, les valeurs d'amortissement se situent dans la gamme de 5 à 20 %, et supérieures à 15 % pour les fortes secousses.

Pour caractériser les mouvements du sol et comparer des séismes différents, un amortissement de 5 % est le plus communément utilisé, la plupart des équations d'atténuation modernes étant basées sur cette valeur. Des formules empiriques relient les déplacements du sol à un amortissement de 5 % aux déplacements pour d'autres valeurs d'amortissement.

4 ACCELEROGRAMMES

La définition des paramètres sismiques par les valeurs maximales et les spectres est suffisante pour la plupart des études sur les barrages. Pour les grands barrages et les barrages situés dans une zone de fort aléa sismique, une analyse non linéaire est requise. Dans ce cas, des enregistrements d’accélérogrammes sont nécessaires. Il est recommandé d’utiliser plusieurs accélérogrammes pour représenter le SES et le SBE, parce qu’ils présentent des niveaux énergétiques différents en fonction de la fréquence et qu’il est important de prendre en compte la variabilité et l’incertitude. Les accélérogrammes doivent être définis pour les composantes horizontales et/ou verticales et doivent être représentés préférentiellement par des accélérogrammes réels obtenus dans des conditions de site similaires à celles du barrage.

Comme les données sur les fortes secousses sismiques, couramment disponibles, ne couvrent pas le champ complet des conditions possibles, ces enregistrements doivent souvent être complétés par des accélérogrammes synthétiques représentatifs de séismes de toutes magnitudes et environnements tectoniques. Il existe plusieurs techniques pour générer des accélérogrammes synthétiques.

Il est aujourd’hui admis que le moyen plus sûr pour obtenir des données de base clarifiant les propriétés des secousses sismiques agissant sur les barrages est de collecter des enregistrements sismiques et donc d’établir des réseaux d’observation et d’enregistrement pour disposer de nombreuses données.

Les aspects suivants sont à considérer :

Les trois composantes des accélérogrammes associés à un spectre de réponse doivent être statistiquement indépendantes.

L’accélérogramme de la composante horizontale du séisme doit être supposée agissant dans la direction amont-aval et dans la direction rive à rive. Aucune modification de la composante horizontale du séisme n’est requise si elle est appliquée dans une autre direction.

La durée des forts tremblements de terre doivent être choisies de façon à couvrir également des répliques.

Dans le cas de barrages, qui sont susceptible d’être affectés par des désordres causés par des durées importantes de tremblements de terre (par exemple, le développement de pressions interstitielles), des enregistrements de séisme de longue durée doivent être utilisés.

Les accélérogrammes synthétiques de longue durée associés à un spectre de réponse utilisés pour le calcul et la conception sismique peuvent être très différents des accélérogrammes réels. Leur utilisation conduira à une conception sécuritaire

Pour la vérification d’un barrage, au minimum trois accélérogrammes différents doivent être pris en compte pour la définition des mouvements du SES.

5 DEFINITION DE L’ALEA SISMIQUE : METHODE DETERMINISTE

L’étude de l’aléa sismique par méthode déterministe implique de définir les mouvements de sol qui correspondent à des scénarios de séisme particulier. En premier lieu, il faut identifier les failles actives (tel que défini en section 3.1). Généralement, les déplacements de sol sont ensuite calculés pour chaque scénario de séisme sur chacune des failles, en supposant le séisme de magnitude le plus important se produisant au plus prés du site étudié. Le mouvement de sol le plus important de tous les scénarios envisagés sera défini comme étant le SES.

Les probabilités de ces scénarios de séisme ne sont habituellement pas estimées. La valeur de la médiane plus une déviation standard (84%) des paramètres de mouvement de sol sont à retenir dans cette approche.

6 DEFINITION DE L’ALEA SISMIQUE : METHODE PROBABILISTE

Une étude d’aléa sismique par méthode probabiliste implique d’obtenir par des moyens mathématiques et statistiques la relation entre un paramètre de mouvement sismique et sa probabilité de se produire sur un site de barrage pendant un certain intervalle de temps (par exemple la durée de vie de la retenue). La valeur du mouvement sismique à utiliser pour l’analyse de sécurité d’un barrage au séisme est ensuite définie pour un niveau de probabilité acceptable par l’ouvrage et le site considéré. Les failles actives ou potentiellement actives et les provinces sismotectoniques sont identifiées comme sources sismiques. Une province sismotectonique correspond à une zone où la localisation de faille active n’est pas précisément connue, mais où l’activité sismique est supposée être distribuée

aléatoirement. La relation spatiale entre le site du barrage et la ou les sources sismiques le concernant et le niveau d’activité de chaque source forment la base du modèle d’aléa sismique du site. Un tel modèle doit être cohérent avec le contexte géologique et tectonique et avec le niveau d’activité sismique (historique et géologique) établi pour les failles en question.

L’étude de l’aléa sismique d’un site sur la base d’une seule source implique la détermination des fonctions de probabilité suivantes :

La probabilité qu’un séisme d’une certaine magnitude se produise sur cette source durant une période de temps donnée,

La probabilité que la rupture associée à cette source et une certaine magnitude se produise à une distance donnée du site ;

La probabilité que le mouvement sismique d’un évènement d’une certaine magnitude se produisant à une certaine distance dépasse un niveau donné au site.

En combinant les trois fonctions de probabilité pour chaque source et en additionnant les contributions de chaque source, la probabilité de dépasser un certain niveau de mouvement sismique est calculée pour la période de temps donnée.

Les avantages d’utiliser une analyse sismique par méthode probabiliste, plutôt qu’une approche déterministe sont les suivants :

La contribution des séismes allant des magnitudes les plus faibles aux magnitudes maximales sur chaque source est prise en compte.

La contribution de toutes les sources à toutes les distances du site est prise en compte.

L’analyse probabiliste donne la possibilité de sélectionner les paramètres sismiques qui peuvent produire des degrés comparables d’aléas sur un ou plusieurs sites. Pour les sites de barrage, la probabilité d’occurrence du SES sera déterminée sur une analyse non seulement de la séismicité du site mais également du type et de l’usage du barrage et de sa durée de vie prévisionnelle, mais aussi de la vulnérabilité de la zone aval (voir chapitre 5.2).

Il doit être noté que dans une approche probabiliste de l’aléa sismique, toutes les magnitudes sont considérées avec un poids égal. Pour tous les barrages, et particulièrement les barrages en remblai, le niveau de sollicitation causé par un séisme de forte magnitude est plus important que le même niveau de sollicitation causé par un séisme de plus faible magnitude compte tenu des effets de durée.

Cet aspect du problème peut être pris en compte en définissant des scénarios de séismes basés sur la désagrégation des résultats de l’analyse probabiliste de l’aléa sismique